线迹缝合对芳纶平纹织物抗侵彻性能的影响

李 杭，杨青青，邱诗苑，蔚 朵，崔李倩

(武汉纺织大学 纺织科学与工程学院, 湖北 武汉 430200)

现代软质防弹衣是由高性能纤维制成的柔性防护材料叠层组成，其防护性能取决于其在冲击区域的局部吸收能量以及快速将能量分散出冲击区的能力[1]。

平纹机织物优异的结构稳定性、低卷曲以及交织作用，使其具有较好的抵抗弹道冲击的性能[2-3]。但是由于平纹织物的结构相对松散，在受到弹丸横向冲击时，容易发生纱线被“抽拔”的现象。当主纱线(与弹丸直接接触的纱线)被抽拔出一定程度时，纱线屈曲逐渐减小，纱线交织点处的间隙增大，导致这些主纱线更易于被弹丸推开，这种现象被称为“开窗”，如果织物边缘松散，这种现象会加剧[4]。研究发现，消除织物在弹丸冲击过程中主纱线间的滑移，可以使得织物更倾向于通过纤维断裂吸收子弹动能[5]。所以织物成型纱线间摩擦力对其抗侵彻性能起到重要作用[6]。

为了更好地研究摩擦对织物抗侵彻性能的影响，相关学者通过试验以及有限元模型研究分析得出，当纱线间临界摩擦因数μ=0.4 左右时，在纱线间摩擦以及交互作用下，应力波从主纱线扩散到次纱线(与主纱线相互交织的纱线)，从而增加了机织物的能量吸收性能[7]。目前用来提升纱线间摩擦性能的方法主要归为2类：通过化学方法对纱线进行表面改性处理或改变织物组织结构[8]。近年来，研究人员已尝试通过二氧化硅剪切增稠液(STF)来提升软质防弹衣的抗侵彻性能[9-10]，通过STF浸渍的织物与纯织物相比，前者表现出更好的能量吸收能力，且织物的能量吸收能力随着纱线间渗透的STF量的增加而增加，该机制主要是通过增稠液来抵消子弹的冲击性[11-12]。另外，STF增强了纱线间摩擦力，弹丸冲击织物时增大了织物的应变面积，从而扩大了能量的传递范围。除此之外，由于低温等离子体方法处理材料具有腐蚀和烧蚀作用，也常被用来处理纤维，导致纤维表面粗糙化，以增强纤维间的摩擦力[13]。通过对芳纶机织物进行表面改性处理，研究纱线表面摩擦因数、纱线摩擦性能测试以及织物的弹道试验，BRISCOE[14]肯定了表面改性处理对织物防弹性能的提升效果。但是表面改性处理的方法不可避免地对纤维表面造成一定损伤，降低了纤维的力学性能、织物的柔韧性，增加了织物的质量。相比之下，织物组织结构改性更符合软体防弹层增强减重的需求理念。部分学者基于该理念，利用纺织技术，将纱罗组织和平纹组织结合，增强芳纶机织物经纱、纬纱的交织阻力，抽拔试验结果表明，纱罗组织的引入，增强了经纱对纬纱的握持性能，有效的限制了纱线间的滑移[15]。然而，纱线抽拔测试只能对机织物能量吸收性能做相关的预估，更为直接的方法是依据相关标准进行弹道测试。

本文在平纹织物基础上，通过缝合技术来限制纱线的流动性，以消除在弹丸侵彻过程中纱线的抽拔和“开窗”现象，研究提高纱线间摩擦力的可行性方案。此外，采用弹丸侵彻试验对缝合/平纹复合结构织物进行测试，通过理论与数据分析，研究提升织物防弹性能的可行性方案，为纺织结构柔性防弹夹层的开发提供参考。

1 试样准备

本文试验所采用的芳纶平纹织物由Kevler®29长丝束(美国杜邦公司)织制而成，使用线密度为500 dtex的缝纫线(华美线业有限公司)，对芳纶平纹织物的经向、纬向均进行缝合处理，以便于控制纤维束的滑移，材料特性见表1。缝合工艺示意图见图1，由图示出缝纫线迹是由上线、下线2根缝纫线相互顺理而且有序地交织在织物之间。

表1 材料特性Tab.1 Material specifications

1—缝纫针；2—线圈；3—底线；4—摆梭。 图1 缝合工艺示意图Fig.1 Schematic diagrams of the stitch formation

由图1(a)示出，针头引线后穿过织物向下运动，在机针最低位置时引线形成线圈被摆梭尖钩起；通过摆梭的旋转，引线线圈逐渐变大并被环绕到梭芯的底部，从而与底线形成交叉(见图1(b))；交叉的线圈随着摆梭的继续旋转开始上升，线圈逐渐缩小(见图1(c))；线圈继续缩小，与底线形成互锁，直到被机针拉过织物以固定针迹(见图1(d))。缝合和未缝合平纹织物试样见图2，试样规格见表2。

图2 缝合和未缝合平纹织物试样Fig.2 Stitched and unstitched plain fabrics

表2 试样规格Tab.2 Fabric specifications

2 织物性能测试

2.1 纱线抽拔试验和织物硬挺度测试

弹丸侵彻过程中，纱线抽拔作用是芳纶平纹织物主要吸能机制之一。因此，通过纱线的抽拔试验来研究缝纫线对经纱、纬纱之间摩擦力的增幅效果，并最终为提升织物的抗侵彻性能提供参考依据。本文采用YG028型万能材料试验机(常州市中纤检测仪器设备有限公司)对试样进行抽拔试验。织物样品在该装置中由下夹持，并使用波纹钳口防止纱线从夹具中滑落，待抽拔的纱线由上颚夹紧，以固定的移动速度向上移动，当纱线上没有负载时，测试停止。拔纱试验示意图见图3，由图示出，在剩下的纱线尾部被下颚夹钳夹住的同时，还保留了一个狭槽，以便将纱线拉出。在本文研究中，分别对垂直于缝合线方向的纱线以及被缝合的纱线本身进行了抽拔试验，定量分析了缝纫工艺对经、纬纱约束的影响。

由于线迹缝合机制会对织物的硬挺度造成一定程度的影响，本文依据GB/T 18318.1—2009《纺织品 弯曲性能的测定 第1部分：斜面法》对复合组织结构织物进行了硬挺度测试分析，以研究不同缝合密度下织物硬挺度的变化。

图3 抽拔试验示意图Fig.3 Schematic diagrams of the yarn pull-out test. (a) Weft direction ;(b) Warp direction

2.2 弹丸侵彻试验

利用弹丸侵彻试验测试不同靶体的抗侵彻性能。该试验中，采用的球形弹质量为2 g，直径为8 mm。弹丸通过高压空气在枪管内进行加速，出膛速度为0～400 m/s，利用高速摄像的方法测试弹丸在接触靶体前的入射速度和贯穿靶体后的出射速度。利用式(1)计算得出的弹丸动能损失表征织物的抗侵彻性能。由于侵彻设备的不可控因素影响，无法设定弹丸出膛的准确速度，因此，每个试样的测试都在规定的范围内进行，保证速度尽可能接近，以便进行比较。

(1)

式中：ΔE为弹丸动能损失，J；m为弹丸质量，g；v1为弹丸入射速度，m/s；v2为弹丸出射速度，m/s。

为了保证弹丸在侵彻过程中，纱线拔出的阻力完全来自于平纹织物交织点和缝合处的摩擦力，设计了一种夹具，四角夹具示意图见图4。由图示出，该夹具四角铣有沟槽，试样只被夹持4个直角边，用螺栓和螺帽贯穿夹具背板以固定试样，以便保证主纱线不会受到夹具约束的影响。在本文弹丸侵彻试验中，所有试样规格均为25 cm×25 cm，以适应靶体夹具的尺寸。

图4 四角夹具示意图Fig.4 Schematic diagram of the corner clamped frame

3 结果与讨论

3.1 纱线抽拔试验结果分析

为了研究不同数量的缝合线对纱线抵御抽拔作用的影响，依据每隔3根纱线缝合的缝制规格，在平纹织物中引入0～4根与抽拔纱线垂直的缝合线迹，所制试样分别记为a#、b#、c#、d#、e#，单纱抽拔力-位移曲线见图5，其中图5(a)示出了根据图3(a)所述方法进行的纱线抽拔试验的位移-抽拔力曲线。结果表明，缝合线迹显著增加了纱线间的抽拔力，抽拔力随缝合线迹根数的增加而增加。由图5(a)可知，单纱缝合试样的抽拔力峰值比平纹组织高约6倍，最大抽拔力随缝合纱线数的增加而增大，其中有4根缝合线样品的抽拔力峰值最大，为55 N。这些结果表明，缝合线提供的约束大大增加了纬纱和经纱之间的摩擦力。另外，在纱线被抽拔的初始阶段，位移-载荷曲线具有相似的力值，这是因为在该阶段(退屈曲区)抽拔纱线克服静摩擦力，导致屈曲完成了一定程度的转换，即纱线不断伸直；当位移超过10 mm时，曲线之间的差异开始变得更为明显，这表明在进入“黏滑”阶段后，拉伸纱线上的缝合约束机制被激活[14]，缝纫线对经纱、纬纱的约束增大了纱线抵御抽拔的能力。因此，缝合效果在一定程度上是“延迟”的。弹道冲击是一个动态事件，通常在50～200 μs内完成，所以防护材料对弹丸冲击的有效阻力响应需要及时运作才能有效达到防护目的。

按图3(b)所述方法进行纱线抽拔试验，此方法抽出的单根纱线完全由缝纫线缝合，所制试样记为f#，单纱抽拔力-位移曲线见图5(b)。可以看出，缝合样品的力-位移曲线在初始阶段急剧增加，当抽拔力达到45 N的峰值后开始下降，其抵御纱线抽拔的能力是平纹织物的20倍以上。图5(b)所示的结果与图5(a)相比，缝合纱线对抽拔力的响应更快，这是因为在抽拔的初始阶段，缝纫线的约束机制即被激活，由于缝纫线的约束作用极大的限制了纱线的滑移，从而增强了纱线对抽拔的抵御能力。当织物上的每根纱线都被缝纫线缝合时，这使得缝合提供的约束效果在弹道事件开始时即刻生效，确保了样本更有效地抵抗弹丸冲击。同时消除了纱线拉出和“开窗”的可能性，降低了纱线滑移的概率，纱线断裂吸收弹丸动能的概率增加，提升了织物的抗侵彻性能。

图5 单纱抽拔力-位移曲线Fig.5 Pull-out force as a function of displacement. (a) Weft direction; (b) Warp direction

3.2 织物硬挺度测试结果分析

织物的硬挺度测试结果见表3，其中抗弯刚度为表征织物硬挺度的指标，抗弯刚度越大，织物硬挺度越高。由表示出，试样1#的抗弯刚度最小，具有最好的柔韧性。由于在缝合工艺中，缝纫线所提供的约束增加了经纱、纬纱之间的摩擦力，限制了纱线间位移，阻碍了纤维间和纱线间的运动,这种机制不可避免地增加了平纹织物的抗弯刚度，从而增加了整体织物的硬挺度。即线迹缝合工艺增加了平纹织物的硬挺度，其硬挺度随缝合线迹密度的增大而增大。

表3 织物的硬挺度测试结果Tab.3 Stiffness test results of the fabrics

3.3 弹丸侵彻试验结果分析

3.3.1 弹丸侵彻速度对比分析

使用2.2所述测试方法在0～400 m/s的冲击速度范围内进行了弹丸侵彻试验。不同速率条件下试样的入射速度-出射速度曲线见图6，由图示出，随着入射速度的增加，每个样品的拟合曲线都逐渐与黑色线性虚线平行。其中黑色线性虚线表示在没有靶体目标的情况下，由于忽略了空气阻力对弹丸的影响，弹丸的出射速度没有衰减，与入射速度呈线性关系。这可以通过平纹织物的能量吸收机制进行解释，当弹丸入射速度较小或者接近弹道极限V50(弹丸贯穿靶体目标的最低着速)范围内时，平纹织物受到弹丸冲击后，自弹着点会产生2种机械波，横向波和纵向波，横向波的传递导致主纱线产生横向偏移，从而带动次纱线运动，造成织物产生四面体状的横向形变，织物发生拉伸破坏，弹丸的大部分动能通过横向波和纵向波的传递被材料吸收，主要转化为织物的动能和应变能，此时出射速度随入射速度的增长较快；当入射速度较大，远离弹道极限时，弹丸在接触织物的一瞬间横向波迅速传递，远离弹着点的纱线在未受到纵向波影响的情况下，织物通过纤维断裂吸收子弹的动能，造成剪切破坏，从而发生非弹性动态响应，弹丸出射速度随入射速度的增长逐渐变缓，织物的能量吸收效率降低。从图6结果可以看出，在弹丸低速冲击下，缝合织物比未缝合织物具有更好的防弹性能，其中试样5#的抗侵彻性能最好；随着弹丸冲击速度的进一步提升，不同织物试样的出射速度没有明显差异，这与柔性靶体在高速冲击下的作用机制有关。

图6 不同速率条件下试样的入射速度-出射速度曲线Fig.6 Plot of the residual velocity versus impact velocity

3.3.2 织物吸能效果分析

为了尽量减少冲击速度变化对织物性能的影响，本文测试了在180、400 m/s的入射速度下，不同目标样品对弹丸动能的吸收能力，在这项研究中，每种样本被测试了10次以进行比较。不同冲击速度下试样的吸收能量以及贯穿比吸能见图7。由图示出，随着弹丸冲击速度的增加，织物的能量吸收能力下降，如从180 m/s的冲击速度到400 m/s的冲击速度，1#的吸能从12.8 J降低到7.7 J，试样5#的吸能从32.4 J降低到14.8 J。这也证实了柔性织物在高速冲击下吸能下降的事实，与图6结果对应。同时发现，试样5#在180和400 m/s的冲击速度下均表现出最佳的能量吸收能力，其吸能分别是试样1#的253%、192%。由数据分析得出，缝合工艺提高了织物的能量吸收能力，这是因为线迹缝合增大了纱线间摩擦力，织物通过摩擦作用降低了主纱线横向偏移的流动性，减小了纱线抽拔和“开窗”的可能性，从而使冲击区域内更多的纱线承载了弹丸的冲击，并通过纱线断裂吸收弹丸的冲击动能，因此具有高摩擦性能的织物比低摩擦性能的织物吸收更多的能量，这也对试样5#的抗侵彻性能优于其他试样做了相应解释。

目前大多数织物防弹性能的研究是在减重增效的前提下改善织物性能，所以缝合织物中缝纫线的附加质量不可忽略。对经向、纬向2个方向上的每根纱线都进行缝合处理，使平纹组织的面密度增加了100%。为了比较相同面密度下不同织物的防弹性能，用总能量除以面积密度对能量吸收进行单位化处理，记为“贯穿比吸能”，结果如图7右轴所示，织物的贯穿比吸能随着相邻2根缝合线迹间距的减小呈现先增加后降低的趋势，其中试样4#表现出最高的贯穿比吸能。在180、400 m/s的冲击速度下，试样4#的贯穿比吸能分别为0.071、0.044 J/(g·m2)，分别是1#的133.9%和137.5%。织物贯穿比吸能的增加说明了适当的引入缝合线迹可以有效限制纤维间的滑移，使更多纤维通过断裂吸收弹丸的动能，从而提升了单位面密度内的纱线利用率；然而当缝合线过密时，织物中缝纫线的附加质量过大，反而不利于织物的单位面密度吸能。

图7 不同冲击速度下试样的吸收能量Fig.7 Energy absorption of the samples at different impact velocities

3.3.3 织物失效形貌分析

织物靶体在受到弹丸侵彻后会发生纱线抽拔、纱线断裂等失效模式，400 m/s下弹丸侵彻后的试样失效形貌见图8。由图示出，所有样品均被穿透，其中试样5#的纱线抽拔现象最不明显。由图8(a)示出，主纱线在很大程度上是在试样1#上被拉伸的。除了被抽出的纱线外，弹丸还能推开其他纱线，从而发生“开窗”。由于纱线抽拔和“开窗”的存在，纱线无法承受冲击载荷，因此在试样1#上没有观察到纱线的断裂。在试样5#上，每根纱线都被缝合，纬纱和经纱受到缝纫线的约束，因此表现出的纱线抽拔和“开窗”现象最不明显。由图8(c)～(e)示出，随着缝合线之间密度的增加，织物更倾向于通过纤维断裂吸收弹丸动能。

由图7所示，能量吸收值的大小随着平纹/缝合复合结构织物密度的增大而变化。平纹织物能量吸收能力的离散性归因于弹丸所承载的纱线数量，这基本上取决于弹丸撞击靶体的弹着点位置，当弹着点位于经纱、纬纱交织点时，弹丸的冲击造成芳纶纤维发生断裂，靶体的能量吸收效果较好；当弹着点位于相邻的长丝束之间时，在冲击作用下，长丝束容易发生滑移，从而导致靶体被贯穿，靶体的能量吸收效果较差。缝合试样还须考虑缝合线的分布，当弹丸撞击缝合线时，纱线断裂失效的概率增加，吸收能量较高；当弹丸撞击缝合线之间的间隙时，纱线断裂失效的概率降低，相应地减小了靶体的吸收能量。在缝合密度大的样品上，弹着点更可能位于缝合线上或者缝合线附近，其改善了弹道性能并降低了能量吸收值的差异性。相反，在缝合密度较小的样品上，弹丸与缝合线接触的可能性相对较小，因此织物吸能效果不明显，增加了能量吸收值的离散性。

图8 400 m/s下弹丸侵彻后的试样失效形貌.Fig.8 Post-impact close-ups of different samples at an impact velocity of approximately 400 m/s

4 结 论

①织物的防护性能随着弹丸入射速度的增加而下降，在弹丸低速冲击下，平纹/缝合复合结构织物具有更明显的防弹性能，这与柔性靶体在高速冲击下的作用机制有关。

②纱线抽拔试验验证了缝合对纱线的约束效果，其中只引入1根缝合线试样的抽拔力是未缝合试样的6倍，引入4根缝合线试样的抽拔力峰值最大，为55 N。抽拔试验证实了纱线的缝合会增加纬纱和经纱之间的摩擦力，提升纱线间的约束作用。另外，线迹缝合增加了平纹织物的面密度，导致试样硬挺度增大。

③平纹/缝合复合结构织物的能量吸收能力随着相邻2根缝合线迹间距的减小而增大，其中每根纱线缝合试样具有最好的防弹性能。在180、400 m/s的冲击速度下，每根纱线缝合试样的吸能分别是未缝合试样吸能的253%、192%。

④织物的贯穿比吸能随着相邻2根缝合线迹间距的减小呈现先增大后降低的趋势，单位面密度内，每隔1根纱线缝合试样表现出最好的能量吸收能力。在180、400 m/s的冲击速度下，每隔1根纱线缝合试样的贯穿比吸能分别是未缝合试样的133.9%和137.5%。同时发现，缝合样品的纱线断裂比未缝合的样品更明显。