Kevlar三维组合结构机织物制备及其抗冲击性能的研究

发布时间：2017-05-02 02:04

  本文关键词：Kevlar三维组合结构机织物制备及其抗冲击性能的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：由于地区局势的不稳定,恐怖袭击事件的频发,促进了防弹衣的发展需求。近年来,高性能纤维增强三维结构机织物复合材料在抗冲击领域的研究越来越受关注。研究发现经典三维结构具有不同的性能特点,而单一的三维组织结构构成的复合材料无法全方位的满足复合材料的性能要求,多种变化、更加复杂的三维组合结构具有更好的综合性能。本文以Kevlar三维组合结构机织物为研究对象,探究了三维组合结构机织物的制备与抗冲击性能,旨在研究设计出更加轻柔、防弹性能更强的防弹衣。就此,本文选用芳纶纤维(简称Kevlar)和高强聚乙烯纤维(简称UHMWPE)原料,设计并在改造后的普通织机上制备完成了1组五层经典三维结构机织物和3组五层不同结构单元数量比的正交和准正交、正交和角联锁、准正交和角联锁的三维组合结构机织物;测试分析了所制机织物的厚度、平方米克重及交织阻力,同时采用弹道侵彻测试,结合织物的厚度、克重和交织阻力从纤维原料选择、经典三维结构、结构组合方式和垂纱接结方式四个方面深入分析三维组合结构机织物的弹道侵彻破坏形貌和弹道冲击特征,并探究了三维组合结构机织物的防弹机理,提出了三维组合机织结构的优化设计。本文主要得到以下结论:(1)对比Kevlar和UHMWPE纤维原料,UHMWPE经典三维结构织物的抗冲击性能要优于Kevlar经典三维结构织物,而Kevlar三维组合织物的抗冲击性能优于UHMWPE三维组合织物。(2)经典五层贯穿三维机织结构中,正交结构机织物的抗冲击性能最优,准正交结构机织物次之,角联锁结构最差。(3)Kevlar三维组合结构的单元结构数量与织物的抗冲击性能不存在线性关系,正交和准正交结构的组合表现出最佳的抗冲击性能且对单一典型三维结构的抗冲击性能有较大改善,而正交和角联锁结构的组合,准正交和角联锁结构的组合对单一经典三维结构的抗冲击性能改善并不大。所有组合结构中,1层正交结构单元和4层准正交结构单元的组合表现出最佳的抗冲击性能。(4)将垂纱贯穿性接结方式改变为平纹接结,对正交结构的抗冲击性能影响不大,而准正交结构机织物的抗冲击性能得到较大改善。(5)弹道侵彻三维组合结构机织物的冲击破坏形貌:抗冲击正面冲击点附近区域微微下凹,侵彻区域为圆形的空洞,弹孔表面和内部有断面整齐或呈犬牙状粗糙的纤维。而抗冲击背面冲击点附近区域微微隆起,变形区域近似菱形或圆形,冲击点经、纬方向上的纱线受抽拉明显,弹孔处有明显受抽拉而出的纱线和断裂纤维。(6)弹体侵彻三维组合结构机织物的能量吸收形式:三维组合结构机织物对弹体动能的吸收主要表现为纤维冲塞剪切和纱线拉伸抽拔两个过程。弹体在冲击前期,由动能转变的应力波要大于纤维断裂功,织物抗冲击正面表现出明显的冲塞破坏,纤维受弹体剪切断裂。在弹体冲击后期,弹体动能转变成应力波沿接触纱线向经、纬方向传播,同时又有接触纱线向相互交织的纱线传播,形成一个应力面。(7)三维组合机织结构的优化设计:三维组合结构机织物冲击面的纱线结构可选择正交结构,以应对冲塞剪切效应;冲击背面的纱线结构可选择准正交结构,以应对拉伸抽拔效应;垂纱接结方式可采用分层接结,保持冲击面纱线的挺直状态,加大冲击背面纱线的交织紧密情况,扩大应力波的传波面。
【关键词】：三维组合结构 三维立体织造 芳纶包缠工艺 抗冲击性能 防弹机理
【学位授予单位】：浙江理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TS101.923
【目录】：

• 摘要4-6
• abstract6-12
• 第一章 绪论12-18
• 1.1 课题研究目的与意义12
• 1.2 三维组合结构机织物的国内外研究现状12-17
• 1.2.1 Kevlar纤维的概述及其应用现状12-13
• 1.2.2 三维结构机织物结构设计的研究现状13-14
• 1.2.3 三维结构机织物生产技术的研究现状14-15
• 1.2.4 三维结构机织物抗冲击性能的研究现状15-17
• 1.3 课题研究的主要内容17-18
• 第二章 三维结构机织物的结构设计18-25
• 2.1 基本术语18-19
• 2.2 三维组合机织结构的设计要求19-20
• 2.2.1 力学性能要求19
• 2.2.2 可织造性要求19-20
• 2.3 三维组合结构机织物的结构设计20-24
• 2.3.1 经典三维结构特征20-21
• 2.3.2 正交/准正交三维组合结构设计21-22
• 2.3.3 正交/角联锁三维组合结构设计22
• 2.3.4 准正交/角连锁三维组合结构设计22-23
• 2.3.5 平纹垂纱三维结构设计23-24
• 2.4 本章小结24-25
• 第三章 三维组合结构机织物的制备工艺25-53
• 3.1 包缠线的制备25-30
• 3.1.1 实验仪器与原料25-26
• 3.1.2 纱线包缠工艺26-27
• 3.1.3 包缠线基本性能测试27-30
• 3.2 三维组合结构机织物的制备30-44
• 3.2.1 实验仪器与原料30
• 3.2.2 三维立体织造工艺30-39
• 3.2.3 织物基本性能测试39-44
• 3.3 三维组合结构机织物的结构特征分析44-51
• 3.3.1 织物表面特征分析44-47
• 3.3.2 织物截面特征分析47-51
• 3.4 本章小结51-53
• 第四章 三维组合结构机织物的抗冲击性能53-63
• 4.1 实验仪器与原料53-54
• 4.2 弹道侵彻测试实验54-57
• 4.2.1 弹道侵彻测试系统54-56
• 4.2.2 弹道倾彻评价指标56-57
• 4.3 原料选择对三维结构机织物抗冲击性能的影响57-58
• 4.4 经典三维结构机织物的抗冲击性能58-59
• 4.5 结构组合方式对三维结构机织物抗冲击性能的影响59-61
• 4.6 垂纱接结方式对三维结构机织物抗冲击性能的影响61-62
• 4.7 本章小结62-63
• 第五章 三维组合结构机织物的防弹机理63-72
• 5.1 三维组合结构机织物的破坏形貌分析63-69
• 5.1.1 经典三维结构机织物的破坏形貌63-65
• 5.1.2 三维组合结构机织物的破坏形貌65-68
• 5.1.3 平纹垂纱三维结构机织物的破坏形貌68-69
• 5.2 纤维的防弹机理分析69
• 5.3 三维组合机织结构的防弹机理分析69-70
• 5.3.1 冲塞剪切过程69
• 5.3.2 拉伸抽拔过程69-70
• 5.4 三维组合机织结构的优化设计70
• 5.5 本章小结70-72
• 第六章 总结与展望72-75
• 6.1 课题总结72-74
• 6.2 课题展望74-75
• 参考文献75-79
• 攻读学位期间的研究成果79-80
• 致谢80

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本文编号：340048