织物的防刺机制及刀具形状对防刺性能的影响

邢京京， 钱晓明

(天津工业大学 纺织学院， 天津 300387)

织物的防刺机制及刀具形状对防刺性能的影响

邢京京， 钱晓明

(天津工业大学 纺织学院， 天津 300387)

为研究高强织物抵御刀具刺破的机制，从力学角度分析了在刀具穿刺过程中织物的受力变化及刀具能量转化，并结合超高分子质量聚乙烯纤维防刺材料的静态穿刺与动态穿刺实验，验证了刀具的瞬时冲击力及动能转化的理论分析。计算结果显示：在冲刺动能为24 J、刺入角度为0°条件下，对织物产生的瞬时冲击力可达1 811.85 N，对织物的瞬时压强为7.49×108Pa，此二者是导致织物受损的主要因素；刀具刺入过程中产生的动能除克服织物的弹性外，还有部分能量因摩擦转化为热能，该热能至少可使织物升温100 ℃，但具体转化率还有待研究；此外，不同刀具形状对织物的破坏机制不同，直接影响破口形态和穿刺深度，相同条件下，双刃刀刺入最深，其次是单刃刀和锥。

防刺机制； 防刺性能； 超高分子质量聚乙烯； 穿刺实验； 力学分析； 刀具形状

防刺服装作为防护服的一类近年来备受关注，国内外学者对防刺材料、防刺层的设计以及各种织物的防刺性能都有所研究，并取得了较大的进展，但有关防刺机制的研究较少。防刺机制与防弹机制不同。20世纪80年代，英国的Cazzuffi等[1]根据建筑用非织造材料穿刺过程中的形变情况指出，刺破是材料拉伸性能失效的结果；Murphy等[2]通过测试多种土工布的击穿强度，分析计算获得土工布被击穿时的应力与应变曲线；Termomia[3]通过建立尖头型刺锥刺破织物的数值模型，将刺破载荷特征与特定织物刺破机制联系起来。之后有学者[4-6]利用有限元法模拟刀具穿透织物的过程，并指出穿刺过程主要分为织物拉伸、纱线滑移、纱线断裂和纱线拉出4个阶段，通过分析刀具的位移与受力关系[7]，可预测出刀具的穿透深度。近年来多位学者[8-10]研究剪切增稠液(STFs)浸渍对织物防刺性能和防弹性能的影响，并指出防刺机制与防弹机制的不同之处。

众多研究表明，尖锐刀具穿刺织物的过程是一个力学过程，与拉伸、撕裂有密切的关系，从机制上来说，这三者之间既有联系又有不同。织物在受到外力拉伸时，首先是纱线由弯曲状态变为伸直状态，并且压迫非拉伸系统的纱线。随受力时间增加，受力系统的纱线开始变细，织物变薄，横向非拉伸系统的纱线由于切向滑动阻力的作用向内聚集，织物呈现束腰形，最后纱线逐根断裂，织物被破坏[11]。可见，拉伸破坏是外力逐渐突破纱线弹性极限的一种行为。关于织物的撕裂机制，国内外早已有比较成熟的理论：织物在撕裂过程中形成撕裂三角区[12-13]，三角区内的纱线被拉伸、聚集、断裂。从根本上来说撕裂也是一种拉伸，只是纤维受力方向不同。而织物的刺破是指尖锐物体在一定外力作用下与织物接触并穿透织物的一种现象。织物在被刺过程中，纤维或纱线受到的是来自刀尖的推挤、穿刺力带来的拉伸，以及刀刃的切割作用。整个刺入过程时间很短，织物受到的是瞬时冲击力，因此防刺是介于防弹和抗拉伸之间的一种性能。本文将结合相关实验从织物受力以及刀具能量的转换角度探究织物的防刺机制。

1 织物防刺机制

1.1 单层织物被刺过程的受力分析

柔性防刺材料是使用高性能化学纤维、金属丝、蚕丝等织造的高支高密织物或非织造布及其复合材料，具有轻质柔韧、舒适性高的优点。柔性防刺材料以织物或非织物的层叠复合为主体，刀具刺入过程中，层层突破直至刺透，因此每层受力情况接近，只是力的大小逐层削弱，因此本文主要研究单层织物在被刺过程中的受力情况。刀具刺入织物的过程是一个动力学过程。如图1所示，当刀具作用在防刺服表面时,织物受到刀尖的穿刺力F随刀具的刺入，面料层逐渐弯曲,穿刺力F分解为平行于织物表面的切向力(拉伸力)F1和垂直于织物表面的法向力(剪切力)F2。法向力主要表现为对织物纵向的剪切破坏，切向力主要表现为对织物的横向拉伸破坏。织物未被刺穿前，在一定范围内随刺入深度的增加，∠α增大，F1减小，F2增大。当织物被刺破之后，F2迅速消失，刀刃对织物进行剪切破坏，因此织物被刺破时，纤维既有剪切断裂又有拉伸断裂。由此可知，防刺面料必须具有良好的抗剪切和抗拉伸性能，其中抗剪切性能占主导地位[14]。通过测试可知，机织布和无纬布的抗拉伸性能高于抗剪切性能,而非织造布的抗剪切性能高于抗拉伸性能。

图1 织物被刺时的受力分析Fig.1 Stress analysis on stabbed fabric

如果物体间的相互作用时间△t很短，而动量却发生了可观的变化，这时相互作用力必然很大，这种力称为冲击力(N)[15]。参考GA 68—2008《警用防刺服》和NIJ 0115.00《个体防刺衣》，测试用刀具加配重总质量为2.4 kg，以(24±0.5)J的动能，0°刺入角有效冲刺防刺服，则有：

所以

式中：m为刀具总质量，2.4 kg；g为重力加速度，m/s2；v0为刀具接触织物瞬间的速度，m/s；vt为刀具刺入织物后的速度，m/s；△t为刀具接触织物至穿透织物所用时间，s。

Horsfall等[16]通过将传感器连接至刀刃及手柄处，真人握持刀具刺入织物，测得刺入时的最大冲击力在1 750～2 000 N之间。图2示出增加传感器的刀具。图3示出真人握持刀具传感器记录图像。从图3可看出实际刺入时间很短，按0.006 s[16]计算，则冲击力可达1 811.85 N。

图2 增加传感器的刀具Fig.2 Layout of instrumented knife

图3 真人握持刀具传感器记录数据Fig.3 Force data from a test using large round handle with hand against guard

由于刀尖和刀刃与织物的接触面积非常小，因此在刺入过程中，快速下落的刀尖对织物产生压强为

式中：F为刀尖接触织物时对织物施加的力，F=mg=2.4 kg×9.8 m/s2=23.52 N；S为刀尖的横截面积；对于匕首类刀具，S≈3.14×10-8m2。

则瞬时压强为

当刀尖刺入后，刀刃对织物产生剪切作用，

此时

式中：k为织物的弹性系数；h为织物因形变下陷的距离；D为测试夹具的直径或动态仿真测试时织物形变直径；S2为刀刃与织物的接触面积。织物被刺后的形变如图4所示。

图4 织物被刺后的形变Fig.4 Deformation of stabbed fabrics

由于S2也很小，所以刀刃对织物的压强依然很大，这种剪切作用对织物的破坏远大于拉伸作用。可见刀尖在刺入织物时对织物产生的巨大冲击力 及压强是破坏织物的主要原因。

1.2 刀具穿刺织物过程的能量变化

刀具接触面料时具有一定的动能，在实验中，用负重刀具从一定高度下落来模拟刀具刺入时动能的获得，因此，

式中：H为刀具下降的距离，m；该式忽略了空气阻力。

如图4所示，当刀尖接触面料时，刀尖对材料表面挤压，在A点产生穿刺力F，持续施加力直至突破纤维或纱线的弹性限度，纤维或纱线断裂，此时织物表层已被破坏，这一过程中刀具所具有的动能逐渐转化为织物的弹性势能。随刀尖的进入，刀刃与织物开始发生摩擦，部分动能开始转化为热能，这一点从织物断面的扫描电镜照片中可明显看出。图5示出超高分子质量聚乙烯(UHMWPE)非织造布的刺破截面。可见摩擦产生的热量已经将纤维融化。UHMWPE因其具有高强度、高模量、低密度的优良特性而广泛应用在工业、医学和防冲击吸能领域[17-18]，但其熔点较低，仅140 ℃左右，在被刺过程中，出现熔融现象说明刺入瞬间刀具与纤维之间的摩擦生热不可忽略。因为防刺材料大都为多层结构，因此，随着刀具的刺入，刀尖不断压迫下层面料，刀刃摩擦并挤压上层面料，直至刀具的动能完全转化为势能和热能。由能量守恒可得：

所以

能量Q一部分通过织物中纤维或纱线的滑移被吸收，一部分则转化为热能。

图5 UHMWPE非织造布刺破断面电镜照片Fig.5 SEM image of UHMWPE nonwovens pierce

这一理论分析也与Instron万能强力仪测得的刀具在刺入过程中的穿刺力的变化曲线基本一致，如图6所示。

图6 单层UHMWPE非织造布刺破过程图Fig.6 Single-layer UHMWPE nonwovens puncture process

在实际刺入过程中，随着刀具的刺入，切向力F1对纤维不断排挤，导致纤维的滑移和堆积，从而导致弹力(F弹)逐渐变化，因此出现穿刺力的波动。

非织造布面料弹性回复率低，刺入背面形成尖状凸起；机织物和针织物的弹性回复率较好，织物虽被刺破，但刀具移除后，仅留破口，形变较小。且针织物所特有的线圈结构使得其具有良好的能量吸收性、成型性和抗冲击疲劳性[11]。在匕首等尖锐器具刺向针织物时，首先发生被刺线圈的滑移,滑移的线圈在一定程度上缓冲了刀具的冲击力，接着相邻线圈由于纱线的滑动而抽紧，被抽紧的线圈不但增大了纱线间摩擦力，而且吸收掉一部分冲击能量，当线圈纱线无法滑动时，针织物变形达到 自锁状态[3]，因此，紧密度较高的针织物可起到锁住刀尖的作用，从而抵御刀刺,但是一旦刀尖割断纱线，针织物对刀具的束缚作用就会迅速降低。

2 刀具形状对织物防刺性的影响

研究发现，织物的抗刺性能与纤维的强度[19]、织物的组织结构[20]以及涂层[21]等后处理密切相关。另外，刀具的形状也对织物的防刺性有较大影响[16]，甚至刀柄的大小及形状也会影响力的大小与传递[22]。常见的刀具有双刃刀、单刃刀、三棱刀、锥子等。被双刃刀刺破的织物破口形态口呈一字型，刀具对织物的作用主要是剪切作用；被单刃刀刺破的织物破口形态呈T字型，刀具对织物既有剪切作用又有排挤作用；被三棱刀刺破的织物破口形态呈Y型[23]，刀具对织物的作用主要为剪切和顶破；锥类刺具刺破的织物破口形态为O型，锥具对织物的主要作用是顶破和排挤纤维。相同纤维材料的防刺产品对不同刀具抵御强度也不同，就非织造结构而言，对锥和单刃刀的防护效果要好于双刃刀[24]。

表1示出各类刀具的穿刺实验结果，由表可看出，双刃刀对织物的破坏作用最为强烈。

表1 各类刀具的穿刺实验结果

注：测试材料均厚度为1.42 mm，面密度为270.76 g/m2的超高分子质量聚乙烯短纤非织造布。静态穿刺实验在Instron万能强力机上进行，刀具速度为200 mm/min。动态穿刺实验按照GA 68—2008在天津工业大学自制的落锤式动态穿刺仪上进行，刀具配重为2.4 kg，冲击动能为(24±0.5)J，刺入角为0°。

2.1 圆锥类刺具

圆锥类刺具在刺入过程中是针尖刺入织物并逐渐推开纤维直至刺破，不存在剪切作用。存在刺锥与纤维的挤压摩擦作用。

如图7所示尖头圆锥刺入织物过程。锥尖由于自身重力G不断向下，同时受到织物表面的弹力F弹、纤维对锥面的压力FN以及纤维与锥面间的摩擦力f。其中

G=mg

0°刺入时，刺入体积V与刺入深度d的关系为

式中：θ为圆锥的锥心角。

图7 圆锥类刺具对织物的作用力Fig.7 Conical spines force on fabric. (a)Start of penetration; (b) Process of penetration; (c)Ending of penetration; (d)Force of thrust process

在这一过程中，F1对纤维不断排挤，导致纤维的堆积，可增大摩擦力,因此织物的紧密度可影响防刺性，在一定范围内，织物紧密度越大，防刺性越好[28]。织物组织密度过小，则纤维极易被推开，无法起到防刺作用；组织密度过大，则纤维不易成束，织物弹性差，刚度大，整体舒适性大大降低。

2.2 双刃刀

对于双刃刀，锋利尖端的冲击与刀刃的切割是导致织物破坏的主要原因，因此增加纤维或纱线的强度可有效提高防刺性。如图8所示双刃刀对织物的作用力。在刺入过程中，刀尖的受力和锥尖一样，即刀具配重G与F弹；随着刀尖的深入，刀刃不断将纤维沿纵向拉伸剪切，此时，纤维断裂的2种机制是破坏由纵向拉伸向外侧压和摩擦破损,增加受力处纤维的积聚可阻止刀具的进一步刺入[10]。

扁平刃类刀具的刺入过程中剪切力为主要作用力。剪切力

F2=Fcosα=

摩擦力主要由刀具的两面与纤维之间的相互作用产生。

0°刺入时，刺入体积V与刺入深度d的关系为

式中：b为双刃刀的厚度；β为刀刃的倒角。

2.3 单刃刀

单刃刀既有刀尖的刺入、刀刃的切割，也有背刃面对纤维的排挤，可看成锥类和双刃刀的组合，如图9所示。f1为剪切力，f2为摩擦力。

0°刺入时，单刃刀的刺入体积V与刺入深度d的关系为

注：该刀具按照美国MIJ 0115.00防刺标准中的2号测试刀具绘制图8 双刃刀对织物的作用力Fig.8 Double-point tool force on fabric.(a)Start of penetration; (b) Process of penetration; (c)Ending of penetration; (d)Force of thrust process

注：该刀具按照美国NIJ 0115.00防刺标准中的1号测试刀具绘制。图9 单刃刀对织物的作用力Fig.9 Single-point tool force on fabric.(a)Start of penetration; (b) Process of penetration; (c)Ending of penetration; (d)Force of thrust process

3 结 论

通过对刀具穿透织物过程中作用力的理论分析得出，在以24 J动能接触织物表面时，刀尖对织物产生的瞬时冲击力可达到1 811.85 N，此结果与真人握持刀具冲刺的实验数据吻合；另求得刺入瞬间刀尖对织物的瞬时压强可达到7.49×108Pa。这二者是破坏织物的主要原因。

刀具穿刺织物过程中，刀刃不断推挤切割纤维，非刃面与纤维之间产生摩擦，因此动能除克服织物的弹性外，还有部分能量因摩擦转化为热能，该热能虽不如弹道破坏产生的巨大能量，但已使超高分子量聚乙烯纤维熔化，因此不可忽视。只是具体热量为多少还有待进一步实验。

织物抗刺性能与纤维的性能、织物的组织结构、层数及后整理都有密切的关系，另外刀具的形状也对织物的防刺性有一定的影响。不同刀具在刺破织物过程中的作用机制也不同，锥类刀具主要是排挤摩擦纤维，而刃类刀具对织物的破坏主要是剪切作用。圆锥、双刃刀、单刃刀的刺入体积与刺入深度之间存在函数关系。穿刺实验显示,同等穿刺条件下，双刃刀对织物的破坏作用最大，其次是单刃刀，最后是锥类刀具。

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Stab-resistant mechanism of fabrics and influence of cutter shape on stab resistance

XING Jingjing， QIAN Xiaoming

(SchoolofTextiles,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China)

In order to explore the stab-resistant mechanism of high-strength fabrics, the fabric stressing changes and cutter energy transformation occurred in the cutters′ stab process are analyzed from the view of mechanics, the stab experiment results of ultra-high molecule weight polyethylene stab-resistant fabric under the static and the dynamic environment verify the theoretical analysis of instantaneous impact force resulting from the cutting tool and the conversion of kinetic energy. The calculation results demonstrate that the instantaneous impact force of the cutter end to the fabric can reach 1 811.85 N and the instantaneous pressure can be 7.49×108Pa under conditions of the stab kinetic energy of 24 J and the stab angle of 0°; and the two are main factors causing the fabric damage. Some kinetic energy produced in the cutter stab process overcomes the fabric elasticity, and the other kinetic energy transforms into heat energy, which allows the fabric to be heated up to at least 100 ℃,but the specific conversion requires further study. Different cutter shapes cause different damage mechanisms to fabrics, and have direct impact on the shape and the stab depth, and under the same conditions, the double-edged cutter has the largest stab depth, followed by single-edged cutters and cones.

stab-resistance mechanism; stab resistance; ultrahigh molecular mass polyethylene; stab experiment; mechanical analysis; cutter shape

10.13475/j.fzxb.20160900407

2016-09-02

2017-03-06

邢京京(1989—)，女，硕士生。研究方向为非织造材料与防护性服装。钱晓明，通信作者，E-mail:1223134190@qq.com。

TS 156

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