织物增强柔性防刺材料的结构特征与防刺机理

梁高勇，王秋实，何彩婷，王 珊，孙润军

(1.军事科学院 系统工程研究院 军需工程技术研究所，北京 100010) (2.西安工程大学 纺织科学与工程学院/功能性纺织材料及制品教育部重点实验室，陕西 西安 710048)

0 引 言

暴力恐怖活动是21世纪全人类共同面对的重大安全问题之一，且暴力恐怖活动多为利器砍杀式的袭击事件，由此造成大量无辜群众被害，公安民警殉职。因此，警用防护装备的研究对于保障干警生命安全、维护地方治安稳定具有重要意义。考虑到警用防护服装在穿着灵活性、舒适性等方面的需求，防刺材料经历了从硬质、半硬质向柔性转变的发展历程。近十年的研究开发主要聚焦于利用对位芳纶、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)等高性能纤维的高强高模和耐剪切的力学性能特征，以机织物、针织物和非织造织物作为预制件，通过与柔性基体复合的方式制备防刺复合材料。

由于现有的柔性防刺材料在预制件结构特征和防刺机理方面差异显著且各有优势，因此本文根据预制件成型方式的不同，分别介绍不同类型柔性防刺材料的结构特征和防刺机理，以期对今后柔性防刺材料的设计与研发起到一定的指导作用。

他开始觉得，先前的一切，是那样的不真实。晶莹剔透的水莲，半人半鱼的孩子，虚浮缥缈的黑雾，以及黑袍人那张永远也看不清的脸……这些东西，怎么可能存在呢？

1 机织物柔性防刺材料

机织物是使用最为广泛的一种柔性防刺材料织物预制件。国内外研究人员对2D机织物的防刺性能进行了较为系统的实验研究，并且通过理论计算和有限元模拟的方式构建了2D机织物的几何结构与防刺性能之间关系的数学模型。由于3D结构机织物在动态冲击防护领域具有显著的力学优势，因此近年来以3D机织物作为柔性防刺材料预制件的应用研究发展迅猛，相继开发了多种3D结构的防刺机织物材料。

1.1 机织物防刺材料的结构特征

2D机织物在防刺性能方面的研究开展较早，科研人员通过系统的实验研究，明确了纱线线密度、织物组织结构和经纬纱密度等结构参数对织物防刺性能的影响，并且通过实验观察和有限元模拟的方式，讨论了织物的破坏过程和防刺机理。研究结果表明:对于防刺用机织物，首先需要满足高纱线指数、高织物覆盖系数的结构要求，即需要具备“高支高密”的结构特征，并且平纹织物相比斜纹、缎纹织物具有更好的防刺效果[1-4]。

4.3.3 人才技术不足。首先在高校之中，无论是学生还是年轻教师，或者是资深教授，此类的人才资源可谓是非常充足的，但是大多数专家教授都有其擅长的领域，而学生人才也需要一定的锻炼和指导，就在这样的情况下，对创业实践活动来说，人才资源相比较来说就比较少，而缺少了具有专门性、针对性的高尖专家和人才，关于创业实践活动的研究便会有所艰难。关于创业基地等硬件条件充足的情况下，专门性的人才相对缺少，而在缺乏在这一方面所必须的专业技术和技能，很多的创业实践活动过程中所面临的难题便会需要更多的尝试才能有所收获，而在这样的情况下，创业体系的建设将会发展缓慢。

1.2 机织物防刺材料的防刺机理

郭静荷[29]、姜亚明[30]和ALPYILDIZ[31]等指出：对于纬编针织物，可以通过引入衬纱以增强抵御穿刺的效果。穿刺时原本呈现平行顺直排列状态的衬经和衬纬纱会因刀刃的刺入而产生滑移现象，从而使垂直于刀刃方向的衬纱产生集束。此时，同时承受刀具切割的纱线根数增多，切断纱线所需要的切割力增加。因此，纬编双轴向多层衬纱织物具有很好的抗刀刃切割能力。

因此，通过提高机织物的紧密程度或者与柔性基体进行复合的方式，对纱线间的滑移现象起到良好的限制作用，是提升机织物增强柔性复合材料防刺性能的最主要手段之一。

图 1 长钉穿刺平纹Kevlar织物的过程示意图Fig.1 Process diagram of puncturing kevlar plain fabric with spikes

2 针织物柔性防刺材料

针织物具有良好的可变形性，穿着柔软舒适，也是柔性防刺材料的重要发展方向之一。但是，相比机织物柔性防刺材料，国内外的相关研究较少。

2.1 针织物防刺材料的结构特征

此外，对于具有三维结构的经编间隔织物，除了单层经编织物上下面层线圈的抗剪切、拉伸对刀具起到的抵御作用外，动态冲击过程中中间间隔层的能量吸收在防刺性能提高方面同样占据重要地位[32,38]。

纬编针织物中存在的衬纱可以使织物在受到刀具冲击时产生衬纱集束现象，在一定程度上减弱针织物线圈长度转移引起的穿刺物尖端侵入[29,37]。

顾肈文[2]、WANG[3]、TERMONIA[11]等通过对机织物及其复合材料穿刺过程的实验观察和计算机模拟，将穿刺过程划分为了多个阶段，如图1所示[11]。从图1可以看出，穿刺物刺入织物内部，与织物发生摩擦或者切割作用，此时纱线滑移对于穿刺物的阻碍产生重要影响。因此，研究人员普遍认为刀具和长钉等穿刺物在刺入过程中，织物因为覆盖系数或者纤维体积分数较低，即织物紧密程度不足，而产生的纱线滑移是材料失效的最主要原因之一[11-14]。大量文献报道，剪切增稠液(shear thickening fluid，STF)浸渍[15-22]、柔性树脂涂覆[23-28]等复合方式都是通过在一定程度上限制机织物中纱线的相对滑动，从而使高性能纤维纱线可以在刀刃或长钉处发生聚集，进而最大限度发挥纱线的抗拉伸、剪切性能优势，提升材料的防刺效果。

对于非织造织物，在穿刺过程中也存在与机织物类似的破坏过程，主要通过非织造织物的变形和纤维的断裂阻碍长锥或者刀具的侵入，但不会出现机织物中发生的纱线拔脱现象，如图3所示[16，40]。穿刺过程中短纤维的滑移和冲击体侵入引起的纤维聚集和断裂是造成材料失效的主要因素。

2.2 针织物防刺材料的防刺机理

纬编和经编针织物的线圈结构使其具有良好的冲击动能吸收特性。当穿刺物尖端侵入针织物的线圈时，相互串套的线圈会发生长度的转移。在很小的力的作用下，被侵入的线圈会与相邻线圈之间发生长度转移，直至线圈长度转移达到极限状态，呈现“自锁紧”状态，如图2所示[36]。针织物线圈的这种自锁紧特点，在某种程度上可以裹住刀尖，起到防刺作用[29,37]。

研究人员还发现，当使用2D机织物通过叠层的方式制备防刺材料时，在刀具的动态冲击下，材料会产生明显的层间分离现象，降低防刺效果。因此，随着3D机织物成型加工技术的快速发展，叶汶祥[5-6]、叶明琦[7]、田笑[8]等开始使用角联锁或者正交结构的3D机织物作为预制件，研究织物厚度方向上的交织作用对其防刺性能的影响。但目前3D机织物在加工成本和织造速度上仍然存在一定的技术瓶颈，限制了3D机织物柔性防刺复合材料的产业化应用。与2D机织物类似，3D机织物也需要通过提高织物经纬密的方式获得更好的防刺效果[7,9-10]，同时3D机织物厚度的增加与防刺性能之间存在良好的线性正相关关系[8]。

图 2 针织物线圈的自锁紧Fig.2 Self-holding of knitted fabric loops

通过观察两种机型的RCS特点，可以发现高RCS区域对应的散射角存在一个共性，即镜像散射特性：目标以x轴正方向平飞，设从目标到接收机的雷达视线的反向延长线通过一个以x轴为圆心，平行于zoy平面的单位圆，则位于单位圆上任意一点的辐射源对应的目标RCS均较高。如图6所示，将该单位圆上部分角度连线，与目标高RCS区域完全吻合。根据该特性，在已知从目标到接收机方位角、俯仰角时，可以简单计算出何种角度的辐射源所提供的信号更可能被接收机检测。在图7通过仿真验证了该镜像散射特性，镜像散射角的连线与高RCS区域完全吻合。

洪江市山洪灾害防治非工程措施项目建设实践与体会…………………………………………………… 蒋益钱(18.10）

式中，w/c是初始水灰比；α是反应程度；VHD和VLD分别是高密度和低密度C-S-H体积分数，由方程(17)知，两类C-S-H凝胶的体积分数与水灰比和水化程度密切相关。

在穿刺过程中，针织物的线圈结构是一把“双刃剑”：一方面针织物可以因为线圈抽紧、纱线聚集而对长钉或刀刃产生锁定作用；另一方面也会因为线圈变形过大而产生穿刺物尖端侵入的现象。因此，研究人员对传统针织物的结构进行了设计和改进，以减少尖端侵入对人体的损伤，并且系统研究了针织结构在抵御穿刺作用时的线圈运动规律和防刺机理。

3 非织造织物柔性防刺材料

相比机织物和针织物，非织造织物用作柔性防刺材料的研究发展较晚，研究成果较少；且非织造织物较少单独使用，更多地作为多层叠合结构的底层或者三明治结构的中间层，制备复合织物增强柔性防刺材料。由于非织造织物面内各向同性的结构特点以及对废旧高性能短纤维的高价值利用，未来发展前景较好。

3.1 非织造织物防刺材料的结构特征

现阶段，关于非织造织物柔性防刺材料的研究主要集中在非织造织物的针刺密度、针刺深度、铺网顺序等工艺参数对材料防刺性能的影响。研究结果表明：针对不同的短纤维原料，在合适的工艺参数范围内，非织造织物的防刺性能随针刺密度和针刺深度的增加而提高[39]；不同纤维原料网胎的铺网顺序和热处理工艺也对非织造织物的防刺性能产生影响，但目前尚未形成较为统一的结论[40-42]。

3.2 非织造织物防刺材料的防刺机理

对于经编针织物，孔祥勇[32-33]、MIAO[34]和XU[35]等采取了另外一种技术思路：利用经编间隔织物的三维整体结构，使经编间隔织物的上下面层线圈在受到刀尖穿刺时起到锁紧刀刃的作用：同时，通过中间间隔层的压缩变形吸收穿刺能量起到缓冲作用，从而发挥多重防护的效果。

(a) 机织物

(b) 非织造织物图 3 长锥穿刺后织物的损伤形貌Fig.3 Damage morphology of fabric after spike puncture

4 复合织物柔性防刺材料

基于机织物、针织物和非织造织物在织物结构和防刺机理方面的特征，研究人员通过将3种织物叠层组合形成复合织物的方式，充分发挥上述织物在防刺性能方面的优势，制备了具有良好防刺效果的柔性材料。

4.1 机织物/非织造织物柔性防刺材料

文献[43-46]分别使用机织物和非织造织物铺层后再经STF等柔性基体复合的方式，制备了三明治结构的柔性防刺材料。此类材料在保证具有一定防刺效果的同时，有效减轻了织物的质量和硬挺度，此外还增加了穿着舒适性，提高了穿着者的行动灵活性。但是，材料因为层间结构的缺失，在动态穿刺时仍然存在层间分离的现象。

4.2 针织物/非织造织物柔性防刺材料

采用针织物/非织造织物复合得到的柔性防刺材料在舒适性方面具有更加显著的优势。邢京京[47]和郑俞蕾[48]将针织物与非织造织物按一定的比例顺序铺层后，经热压复合得到了具有良好防刺性能的三明治结构复合织物柔性防刺材料。

根据链条锅炉煤炭燃烧特点，沿炉排长度方向燃料先后经历干燥、挥发分析出、着火燃烧与燃尽等阶段，每个阶段所需空气量不同，所以沿炉排长度方向分多个风室进行分级送风。由于同一风室炉排上方的煤炭处于同一燃烧阶段，所以一个风室内沿炉排宽度方向配风要均匀。但在锅炉实际运行过程中，由于“风室端部效应”的影响，链条锅炉沿炉排宽度方向普遍存在横向配风不均匀现象。在强风区，冷风直接进入炉膛，过量空气增加，降低炉膛温度；在弱风区由于煤层阻力增大，燃烧速度减慢，还原反应加剧，使化学不完全燃烧热损失增加，燃烧热效率降低。因此实现链条炉排横向配风均匀、纵向供风合理是提高链条锅炉热效率的关键。

复合织物柔性防刺材料由于整合了机织物、针织物和非织造织物在结构特征和防刺机理方面的优势，在材料设计方面提供了更多的创造空间，同时也对科研人员的技术能力提出了更高的要求。因此，将机织物的结构稳定性、针织物线圈的自锁和吸能作用以及非织造织物的面内各项同性特征有机结合、协同增效，必将成为未来织物增强柔性防刺材料的一个重要发展方向。

5 结 语

本文通过系统梳理国内外织物增强柔性防刺材料领域相关研究成果，详细介绍了以机织物、针织物和非织造织物增强柔性防刺材料的结构特征、穿刺过程和防刺机理。其中：机织物中经纬纱垂直交织的结构特征使得纱线间的滑移作用是材料被刺穿的重要因素；而针织物的线圈结构使其具有自锁紧和缓冲吸能的作用；非织造织物由于具有面内各向同性的性能特征，多与其他类型织物叠层复合，制备三明治结构的柔性防刺材料。通过对复合织物柔性防刺材料研究现状的分析与展望，提出了综合利用多种织物的结构特征，协同增效以实现织物增强柔性防刺材料的轻质化、柔软化和舒适化的愿望，以期对今后柔性防刺材料的设计与研发起到一定的指导作用。