氧化锌改性芳纶织物的抗弹道冲击性能的数值模拟

许尧杰, 刘瀚*, 张宏, 黄广炎,2

(1.北京理工大学 爆炸科学与技术国家重点实验室, 北京 100081; 2.北京理工大学 重庆创新中心, 重庆 401120)

0 引言

防弹衣能够在军事冲突和恐怖袭击中有效保护士兵的生命安全,为了使防弹衣重量更轻、穿着更舒适,人们开始采用高强度、低密度、高模量的Kevlar和Twaron等芳纶织物[1-3]作为防弹衣防护层。随着防护技术的发展,防弹织物的力学性能和整体结构将会得到优化,关于防弹衣的轻量化和高性能的要求会越来越强烈,柔性防弹衣将会在未来战争中发挥重要的作用。

纤维的力学性能对织物的抗弹性能有显著影响,为提高织物的抗弹性能,纤维改性一直是人们的研究重点。Cao等[4]研究了剪切增稠液(STF)改性芳纶织物在高应变率下的力学性能和吸能特性,改性织物的纱线间摩擦力显著提高,吸能性能随之提高。Hasanzadeh等[5]发现STF改性芳纶织物在受到穿刺载荷时,穿透峰值和吸能性能较纯织物有显著提高。除了使用STF对织物进行改性,研究者们还通过在纤维表面种植氧化锌颗粒,使纱线间的摩擦力显著提高,增强织物的抗冲击性能[6-8]。Hwang等[9]发现氧化锌改性纱线的弹性模量和拉伸强度较纯织物略有提高。Dixit等[10]研究了STF和氧化锌改性织物的低速抗冲击性能,发现氧化锌改性织物的能量吸收较纯织物提高了36.6%。

为研究改性织物的抗弹道冲击机理,人们常开展数值模拟工作,分析在弹道冲击过程中织物的应力云图与细微变形,与弹道试验形成互补与对照。前人对纯织物的弹道冲击模拟进行了许多研究,对织物的损伤机理与失效模式进行了详细的描述[11-14]。Cao等[15]通过增加纱线间的摩擦系数来等效对STF改性芳纶织物的数值模拟。Liu等[16]测试了改性纱线的弹性模量、拉伸强度与纱线间摩擦系数,模拟了STF改性芳纶织物的弹道冲击过程。

在以往的研究中,有大量文献针对氧化锌改性织物进行了力学性能的研究[17-20],表明织物经氧化锌纳米颗粒改性后,纱线的拉伸强度、弹性模量和纱线间摩擦系数均有提高。Liu等[16]的研究结果表明,纱线的力学性能和纱线间摩擦系数的提升可以提高织物的抗弹性能,但是目前对于氧化锌改性织物抗弹道冲击性能的研究较少,氧化锌改性织物在抗弹性能方面的潜力没有得到展现,相关的数值模拟工作少有开展,氧化锌改性织物受到弹丸冲击时的失效机理也尚不明确,从而制约了氧化锌改性织物在防弹装备方面的应用。

本文开展了准静态力学测试、纱线拉拔测试、弹道试验和数值模拟工作,对氧化锌改性织物的抗弹性能开展了系统的试验研究与数值模拟研究。从弹道极限和能量吸收的角度分析了氧化锌改性织物相较传统织物弹道性能的提升幅度,从细观模型的角度进行了等效仿真,对氧化锌改性织物的失效模式与防护机理进行阐述,为氧化锌改性织物在柔性防弹领域及单兵作战防护领域的应用提供了依据。

1 力学及弹道性能试验

1.1 试验材料

试验中使用Twaron芳纶织物(面密度为240 g/m2),化学试剂均采购于中国上海阿拉丁生化科技股份有限公司,包括氢氧化钠(分析纯≥97%)、30%醋酸溶液、六水合硝酸锌(分析纯≥99%)、二水合乙酸锌(分析纯≥99%)、乌洛托品(分析纯≥99%)、去离子水。

1.2 芳纶织物上氧化锌纳米颗粒生长工艺

在芳纶织物上生长氧化锌纳米颗粒的工艺流程分为4个步骤:

1) 织物裁剪:将芳纶织物裁剪为200 mm×200 mm的方形织物,编号,称取布重。

2) 杂质去除:将芳纶织物浸渍于10%的氢氧化钠溶液中20 min,用去离子水洗涤。再将洗涤后的织物浸渍于30%的醋酸溶液中20 min,用去离子水洗涤。上述过程重复3次来去除纤维表面的杂质。

3) 氧化锌生长基质的生成:准备0.2 mol/L的乙酸锌溶液和0.25 mol/L的氢氧化钠溶液,取两种溶液各500 mL置于培养盘中,在60 ℃下加热1 h,将步骤2处理后的织物浸渍于混合溶液中,在70 ℃下培养1 h,使用滚轮辗轧去除织物表面冗余的杂质颗粒,将培养后的织物置于120 ℃的烘箱中干燥1.5 h。烘干后,含有种子层的芳纶织物将被用于纳米氧化锌纳米颗粒的生长基质。

4) 氧化锌纳米颗粒的生长:准备0.3 mol/L硝酸锌溶液和0.15 mol/L乌洛托品溶液,取两种溶液各500 mL置于培养盘中,将混合溶液在60 ℃下加热0.5 h。将步骤3中的织物浸渍于硝酸锌和乌洛托品的混合溶液中,在80 ℃下培养2 h,将培养后的织物置于140 ℃的烘箱中真空干燥3 h,期间每隔1 h将织物翻面一次。烘干后的试样称重并记录。织物参数如表1所示。

1.3 改性纤维的微观表征

为研究氧化锌颗粒在纤维表面的生长情况,通过日本JEOL公司产JCM-7000扫描电子显微镜(SEM)观察纤维的表面形貌。图1显示了纯织物和氧化锌改性织物SEM成像结果。由图1可知,纯织物的表面光滑且平整,氧化锌改性织物表面的粗糙度显著增加,氧化锌颗粒均匀地生长于纤维表面,使纤维之间的联结更加紧密。

1.4 纱线准静态拉伸测试

纱线的拉伸强度及失效模式显著影响织物的弹道性能,弹道冲击的过程为高应变率响应,其应变率大致处于1 000～10 000 s-1[21-22],但大量研究表明芳纶纤维及改性芳纶纤维的拉伸行为受应变率的变化的影响较小[16,23]。因此本文研究采用准静态拉伸来测量芳纶纤维及改性芳纶纤维的拉伸特性。

1.4.1 测试方案

用铝合金加强片夹住纱线的两端,距离为40 mm。 采用环氧树脂胶将纱线粘合在铝合金片材上,常温固化12 h以保证粘合的稳定性。

准静态拉伸试验在美国美特斯系统公司产MTS-C44.304万能试验机上进行,试验布局如图2 所示,拉伸速率为0.001 s-1。 为减少试验误差,选择相同几何形状和尺寸的Twaron织物样品进行测试。

图2 准静态拉伸试验布局Fig.2 Layout of quasi-static tensile test

1.4.2 测试结果

纯织物和氧化锌改性织物在0.001 s-1应变率下的准静态拉伸试验的应力-应变曲线如图3所示。当纱线进行准静态拉伸时,由于受力不均匀,部分细丝会提前达到承载极限而断裂,导致纱线稳定性变弱。剩余的细丝会继续承受拉伸载荷,直至所有细丝断裂,这是纱线的应力-应变曲线部分呈现非线性的原因。由图1可以看出,细丝表面的氧化锌颗粒显著增加了纱线表面的粗糙度,根据Liu等[16]的结论,细丝之间的联结更紧密,会增加纱线的刚度,弹性模量也随之增加。氧化锌改性织物的弹性模量和拉伸强度分别为78.75 GPa和2.522 GPa,相较于纯织物分别提升了5.0%和5.1%。

图3 纯织物和氧化锌改性织物准静态 拉伸试验的结果Fig.3 Quasi-static tensile results of neat and ZnO- modified fabrics

1.5 纱线拉拔测试

1.5.1 测试方案

为了研究纯织物与氧化锌改性织物的纱线间摩擦系数,在万能试验机上进行了纱线拉拔试验。裁剪预处理的织物如图4(a)所示,将上半部分的纱线逐层抽出,用刀沿底部黑线切断纱线以防止末端夹紧的影响,使纱线可以顺利地从织物中拉出。采用万能试验机的上方夹具夹住纱线的头部,提供纱线的拉拔力,万能试验机下方的固定装置将织物黑线以下的部分固定,将纱线以相应速度拉出,如图4(b)所示,分别以2 mm/min和 20 mm/min的速度开展纱线拉拔测试。

图4 纱线拉拔试验布局Fig.4 Layout of yarn pull-out test

1.5.2 测试结果

纱线之间的摩擦系数对织物的力学性能有显著的影响[24-25]。根据Xu等[24]的结论,在选用同种类型的纱线时,纱线间的摩擦系数和最大纱线拉拔力呈正比,图5显示了纱线在不同拉拔速度下拔出的载荷-位移曲线。当拉拔速度从2 mm/min增加至20 mm/min时,最大拉拔力略有增加,对于纯织物和氧化锌改性织物来说,最大拉拔力波动较小,因此通过取两种拉拔速度下的最大拉拔力平均值测算出的纱线间摩擦系数近似看作常数[24]。在2 mm/min的拉拔速率下,纯织物和氧化锌改性织物的最大纱线间摩擦力分别为4.6 N和17.4 N,当拉拔速率增加至20 mm/min,纯织物和氧化锌改性织物的最大纱线间摩擦力分别增加至4.9 N和18.9 N。两种速率下最大纱线拉拔力的平均值分别为4.75 N和 18.15 N,根据Xu等[24]的结论,Twaron纯织物的纱线间摩擦系数为0.22,则氧化锌改性织物的纱线间摩擦系数推算为0.84,相较于纯织物提高了282%。与Xu等[24]的研究进行对比,由于二氧化硅是物理附着于纤维表面,STF改性织物的纱线间摩擦系数仅为0.49,氧化锌纳米颗粒由于生长于纤维表面,显著提高了纱线与纱线之间的结构互锁,纱线间的联结因此更加紧密。

图5 纱线拉拔试验结果Fig.5 Results of yarn pull-out test

1.6 织物弹道性能测试

1.6.1 测试方案

为研究氧化锌改性织物的弹道性能,开展了尺寸为200 mm×200 mm织物的弹道冲击试验。试验系统主要由12.7 mm弹道枪、直径为10 mm的钢珠、树脂弹托、靶架、织物、高速摄影机等组成(见图6)。 高速摄影机记录弹丸的飞行轨迹、冲击织物的过程、初速和存速。为实现对织物的稳定固定,采用8个螺栓将压环、织物与背板稳定连接,避免织物因边界固定不完全而发生的不稳定形变影响试验结果[15]。

1.6.2 测试结果

当弹丸以一定速度冲击织物时,高速摄影机记录弹丸的冲击速度vi和穿过织物后的残余速度vr,弹丸穿过单层纯织物和氧化锌改性织物的速度变化如图7所示,通过Recht-Ipson公式[26]拟合:

图7 弹道极限拟合曲线Fig.7 Ballistic limit fit curves

(1)

式中:vbl是弹道极限速度;α和p是控制曲线形状的参数。从拟合曲线可以看出,式(1)与试验结果吻合度较高。

对于单层织物,纯织物的弹道极限速度为66 m/s,氧化锌改性织物的弹道极限速度为102 m/s, 相较于纯织物提升了54.5%,且面密度仅增加了3.1%。对比Xu等[24]的研究结论,STF改性织物较纯织物的弹道极限速度提升仅为40%,但是面密度增益却高达30.09%。可以发现,氧化锌改性不仅可以显著提高织物的抗弹性能,同时织物面密度增益较小,完全贴合了实战中对于防弹衣轻量化和高性能的要求。根据Xu等[24]和Malakooti等[18]的结论,纱线间摩擦力的增加可以限制纤维丝束的移动,增加纱线拔出峰值载荷并显著改善冲击过程中的能量耗散,受到冲击弹丸冲击时,会带动更多的纱线参与防护,进而提高改性织物的抗弹性能。同时,由于纱线弹性模量和极限拉伸应力的增加,纤维的局部承载能力得到加强,弹丸冲击织物时受到的抵抗阻力增加,织物的弹丸的动能耗散显著提高,氧化锌改性织物由于纱线间摩擦系数和拉伸强度的显著提高,其弹道性能也随之增强。

为评价氧化锌改性织物的吸能特性,选用弹丸穿过织物后的动能变化ΔEk作为评价标准。定义如式(2)所示:

(2)

式中:m是弹丸的质量。在实际应用中,防护装备的重量是指标中的重要参考,为衡量单位面密度下防护织物的吸能特性,引入比吸能(SEA)的概念,SEA可以用ΔEk/Ar来表示,其中ΔEk是织物的能量吸收(J),Ar是织物的面密度(kg/m2)。

单层织物的SEA如图8所示。由图8可以发现,氧化锌改性织物的SEA特性显著优于纯织物,说明氧化锌颗粒种植提高了纱线间的摩擦系数,进一步提高了织物的能量吸收性能。

图8 单层织物的SEAFig.8 SEA of single-layer fabrics

图9从宏观角度显示了纯织物和氧化锌改性织物的局部失效图。试验中纱线的失效模式通常有两种,即拉伸失效和剪切失效。在拉伸失效的情况下,会发生不规则断裂,并且纱线的断裂长度各不相同[27]。发生剪切破坏时,纱线的断裂长度几乎相同。图10展示了织物的微观失效特征,可以看出,纯织物和氧化锌改性织物断口处的纱线形状多为不规则、弯曲甚至相互交叉。这表明纯织物、氧化锌改性织物在弹丸冲击下的主要破坏模式是拉伸破坏。在发生拉伸失效之前,纱线会从织物中拉出,基于这一发现,提高纱线间摩擦系数有助于增加纱线受到弹丸冲击时拉出的阻力,抵抗受到冲击时发生的拉伸破坏,增加纱线与纱线间、弹丸与纱线间的摩擦耗能,进而提高织物的防弹性能,这也是氧化锌改性织物弹道性能提升的原因。

图9 织物的宏观失效特征Fig.9 Macroscopic failure features of fabrics

图10 织物的微观失效特征Fig.10 Microscopic failure features of fabrics

2 织物弹道冲击数值计算模型

2.1 材料模型

在弹丸冲击纤维织物的过程中,弹丸无明显变形,设定为刚体,其材料参数如表2所示[24]。

纤维为横观各向同性材料,共有3个方向定义16个材料参数,其中1方向为主方向,沿着纱线轴线方向,2、3方向分别为面内和面外纱线径向方向。

表2 弹丸力学性能参数[24]Table 2 Mechanical property of projectile[24]

在弹丸冲击织物过程中,纤维在1方向承担主要载荷,因此通过纱线准静态试验获得纱线1方向的弹性模量和拉伸强度。对于2、3方向,根据纱线横观各向同性的材料特性,Wisniewski等[28]假定各个方向材料参数相等且远小于1方向的数值,因此设置2、3方向的弹性模量为1方向的1%。织物在弹道冲击过程中,纱线主要承载拉伸应力,参考Knoff等[29]的工作设置了近似的芳纶纤维剪切模量值。纯织物纱线的力学性能参数如表3所示,纱线间摩擦系数设置为0.22。氧化锌改性织物由于力学性能发生了变化,其1方向的弹性模量和拉伸强度分别设置为78.75 GPa和2.522 GPa,纱线间摩擦系数设置为0.84。

表3 Twaron纱线力学性能参数Table 3 Mechanical properties of Twaron yarn

在模拟纤维织物失效方面,参照文献[30],进行软件子程序的设置,将纤维的失效准则设置为 1方向的拉伸失效准则。

2.2 计算模型

在以往的研究中,为简化分析,通常采用建立宏观板模型来分析织物的失效过程[31]。本文通过有限元分析软件从细观尺度建立单根纱线模型,分别沿经纱方向和和纬纱方向对单根纱线进行相应阵列,通过Merge功能将其编织成整体,将编织后的织物设为实体单元,为织物的每根纱线赋予1～3方向材料方向,研究弹丸冲击芳纶织物的过程。纱线的横截面如图11所示。

图11 纱线横截面形状Fig.11 Cross-sectional shape of yarn

为提高计算效率,鉴于模型对称性,建立1/4模型来分析织物的弹道性能,如图12所示。数值模拟中织物的面密度为242 g/m2,与弹道试验基本相同。

图12 数值模拟1/4模型Fig.12 1/4 model of numerical simulation system

在数值模拟中,芳纶织物与弹丸的网格单元均划分为三维八节点六面体缩减积分实体单元(C3D8R),芳纶织物网格尺寸为0.2 mm;弹丸的网格尺寸为 0.4 mm[24]。弹丸与芳纶织物间的接触采用通用接触,法线方向设为硬接触,切线方向为罚接触,纱线间摩擦系数通过纱线拉拔测试获得,织物边界固定设置为四周边界的完全固定。弹道试验中,通过调整靶板与弹道枪的高度来确保弹丸击中织物中心,因此数值模拟中,将弹丸与织物的冲击接触点设为织物正中心。

3 数值模拟结果与讨论

图13显示了单层纯织物和氧化锌改性织物的数值模拟和弹道试验结果的对比图,两种织物的弹道试验中的弹道极限分别为66 m/s和102 m/s,数值模拟结果为62 m/s和90 m/s,仿真误差为6.1%和11.8%,仿真结果略低于弹道试验结果,因为在弹道试验中无法实现仿真中边界完全固定的条件。仿真曲线与弹道试验曲线较为吻合,进一步说明氧化锌改性织物通过增加纱线间的摩擦系数显著提高织物的弹道性能,细观模型的建立与力学性能参数的等效可以较好地仿真氧化锌改性织物的弹道冲击过程。

图13 仿真与弹道试验结果对比Fig.13 Comparison of simulated and ballistic impact test results

图14 单层氧化锌改性织物在140 m/s弹丸 冲击下的失效过程Fig.14 Failure process of single-layer ZnO-modified fabric under 140 m/s ballistic impact

图14描述了单层氧化锌改性织物在140 m/s冲击速度下的变形和破坏过程。图15展示了200 μs 时弹道试验与仿真结果中织物变形的宏观对比,可以发现仿真结果与试验结果具有良好的一致性。弹丸接触织物时,在纤维中产生纵向的拉伸应力波,沿着纤维以材料声速传播,与弹丸接触的纱线质点随着弹丸冲击发生横向运动,形成横向机械波,在材料中以较低的速度传播[32]。随着弹丸的持续冲击,织物横向偏转幅度增大,背部鼓包变大,弹丸的大部分动能转换为织物应变能及动能[33]。在数值模拟中可以更清晰地观察到织物受到弹丸冲击时的波动。

图15 氧化锌改性织物在140 m/s弹丸冲击下仿真与 试验的宏观结果对比Fig.15 Comparison between simulated and test macro results of ZnO-modified fabric under 140 m/s ballistic impact

4 结论

本文通过扫描电镜成像、准静态拉伸测试、纱线拉拔测试和弹道试验和数值模拟等方法研究了新型氧化锌改性织物的弹道性能。得出以下主要结论:

1)SEM图像显示氧化锌颗粒均匀地生长于纤维表面,增加了纤维之间的结构互锁,纤维表面的粗糙程度显著提高。

2)准静态拉伸试验表明,氧化锌改性织物的弹性模量和拉伸强度较纯织物分别提高了5%和5.1%。纱线拉拔试验结果表明,由于纱线间的联结程度和表面粗糙度的提高,氧化锌改性织物的纱线间摩擦系数较纯织物提高了282%。

3)弹道试验结果表明,氧化锌改性织物的弹道极限速度较纯织物提升了54.5%,且比能量吸收特性明显优于纯织物。数值模拟与弹道试验的弹道极限速度误差较小且宏观结果对比具有良好的一致性,进一步证明了纱线间摩擦系数和力学性能的提升对织物的弹道性能有显著的影响。

氧化锌改性织物可以成为柔性防弹衣设计的新思路。考虑到实际应用的需要,多层氧化锌改性织物对制式弹丸的抗冲击性能将是我们接下来的研究重点。