多层三维织物及其增强复合材料防弹性能的研究

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对位芳纶等高性能纤维通常以机织或无纺布的形式应用于柔性防弹织物及其增强复合材料中,以制备轻量化、高性能的弹道防护装备。本文基于对位芳纶纤维设计了3层平纹(3-plain)和5层平纹(5-plain)叠层织物、5层纬纱贯穿角联锁(5-TTAI)、5层纬纱间层角联锁(5-AI),以及分别加入2层和4层衬垫经纱的间层角联锁(5-w2-AI、5-w4-AI)结构织物,通过数值模拟的方法对比了这6种织物的弹道性能与失效模式的差异,以探究不同厚向接结结构对织物弹道性能的影响。并在此基础上选取平纹(P)、5-AI(A)和含衬垫的5层纬纱贯穿角联锁(T)织物作为复合材料增强体,设计制备不同铺层顺序和混杂比例的结构混杂复合材料,比较不同混杂方式的多层芳纶织物增强复合材料弹道性能的差异,探索铺层优化方案。主要的研究工作及结果如下:1.对比叠层平纹织物和3D织物发现,叠层平纹织物的经纬向应力分布均衡,但冲击应力主要集中在着弹点附近,容易导致主纱的过早断裂,且存在较为明显的分层破坏现象;而3D织物的面密度吸能比(SEA)均高于叠层平纹织物,最多约高出91.6%,还能有效抑制分层,其面内应力响应范围更大,但其经向和纬向面内应力分布不均匀。通过对比Z纱接结深度不同的5-AI和5-TTAI织物发现,5-TTAI的SEA比5-AI小10.4%,且由于5-TTAI中Z纱的屈曲程度较大,容易导致应力集中而更早失效,但接结深度大的Z纱可以使底层纱线更早参与吸能。另外,通过对5-AI、5-w2-AI与5-w4-AI织物的比较发现,织物的SEA随衬经含量的增加呈先增大后减小的趋势,其中5-w2-AI织物的SEA最高,说明适当增加衬垫经纱能提高3D织物的吸能能力,过多的衬经反而会限制纱线的相对滑移,导致着弹点附近的应力集中而使靠近迎弹面的纱线更早断裂,衬垫经纱还可改善3D织物经纬向面内应力分布不匀的现象,但对后层纱线的响应时间有一定的影响。2.用A和T两种3D织物分别与P进行结构混杂设计,通过弹道实验计算出混杂靶板的单位纤维含量弹道极限值(Vf50)。比较发现,将P置于背弹面,T置于迎弹面,且二者混杂比为1:3时,混杂靶板的Vf50值最高可达到617 m/s,比叠层平纹层合板的Vf50值高16.4%,可视为最优混杂方案。并且,从混杂靶板的破坏形貌中可以看出,3D织物主要以拉伸破坏为主,能更有效地利用纤维的拉伸断裂吸能优势,适合置于混杂靶板的迎弹面。
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