МЕХАНИКА ПОЛИМЕРОВ
УДК 541.64:539.3
ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕНИЯ НИТЕЙ В АРАМИДНЫХ ТКАНЯХ © 2012 г. С. Л. Баженов, Г. П. Гончарук
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт синтетических полимерных материалов им. Н.С. Ениколопова РАН 117393 Москва, Профсоюзная ул., 70 Поступила в редакцию 21.02.2012 г.
Принята в печать 10.04.2012 г.
Исследована диссипация энергии силами трения нитей в арамидных тканях различного переплетения. Определен верхний теоретический предел способности волокон поглощать энергию поперечного удара. Максимальная сила вытягивания нитей из ткани полотняного плетения нелинейно зависит от количества вытягиваемых нитей. В тканях саржевого плетения эта зависимость носит линейный характер. Изменение способа переплетения нитей является эффективным способом изменения сил вытягивания нитей. Благодаря проскальзыванию нитей, ткань ведет себя как пластичный материал.
Известно, что ткани на основе высокопрочных нейлоновых, арамидных и сверхвысокомолекулярных полиэтиленовых волокон обладают высокой способностью диссипировать энергию при поперечном баллистическом ударе. Поэтому материалы на основе органических волокон используют в качестве легкой брони для защиты людей (в бронежилетах и шлемах), а также транспортных средств [1, C. 15]. Изготовление легкой брони в последнее десятилетие выделилось в отдельную отрасль со своими производителями не только материалов, но и технологического оборудования. В предкризисные годы при среднем росте индустрии на ~5% в год производство волокнистых композитов увеличивалось на 10%, а легкой брони — на 25%. Отметим, что производство легкой брони является специфически полимерной отраслью, причем сверхвысокомолекулярные ПЭ-волокна производят практически только для легкой брони. В конструкционных целях сверхвысокомолекулярные ПЭ-волокна не используют в связи с сильной ползучестью материала под нагрузкой.
При малой скорости поперечного воздействия волокно деформируется целиком подобно тетиве лука. При увеличении скорости удара V геометрия деформируемого волокна изменяется. Причиной этого служит конечность скорости звука, которая в арамидных волокнах составляет ~10км/с. Изменения геометрии волокон происходят в области скорости, которую называют баллистическим пределом. Его типичное значение составляет 100 м/с. Используя высокоскоростную
E-mail: bazhenov_sl@rambler.ru (Баженов Сергей Леонидович).
фотосъемку, Х.А. Рахматулин показал, что при поперечном баллистическом ударе по одиночному гибкому волокну возникает поперечная волна, имеющая форму треугольного "клюва" с вершиной в точке удара [2—5]. Размер треугольника растет с постоянной скоростью, а его углы сохраняются. Помимо поперечной "рахматулинской", появляется продольная волна, распространяющаяся вдоль волокна со скоростью звука в обе стороны от точки удара. После прохождения продольной волны волокно оказывается растянуто под постоянным напряжением. С этим напряжением связано наличие еще одного скоростного перехода [6].
С увеличением скорости ударника V растягивающее напряжение в волокне возрастает пропорционально [4, 5]. При некоторой критической скорости, когда растягивающее напряжение достигает предела прочности, ударник перерубает волокно. В этом случае продольная волна не возникает, резко падает способность волокна поглощать энергию и, как следствие, останавливать ударник. Для комплексной нити торговой марки СВМ теоретическое значение критической скорости оценивается как 740 м/с [6], а экспериментальное значение составляет ~б70 м/с. Поэтому использование ткани эффективно только тогда, когда скорость пули ниже критического уровня (600—700 м/с для одиночной комплексной нити СВМ). Для ткани критическая скорость может быть несколько ниже из-за стеснения распространения поперечной волны [7].
Продольная волна приводит к однородному растяжению волокна, в результате чего оно дис-сипирует энергию по всей своей длине. Если нить в ткани разрушается продольной волной до до-
1532
Г, Н 40
Рис. 1. Представлена схема испытания: 1 — вытягиваемая нить, 2 — испытуемая ткань, 3 — П-образная деталь. Стрелкой указано направление извлечения нити из ткани.
стижения его конца, то величина диссипируемой энергии пропорциональна расстоянию, которое прошла волна. Чем больше расстояние, на которое распространилась волна, и чем большее количество нитей движется вместе с ударником, тем больше энергии поглощает ткань, и тем выше ее способность останавливать пулю. Оптическое изучение ткани после баллистического удара позволяет определить расстояние, на которое распространилась продольная волна ("рабочую длину" волокон), и количество нитей, участвующих в диссипации энергии [8].
Помимо энергии продольной волны, еще одним важным механизмом диссипации энергии является работа сил трения между нитями. Методы обработки поверхности нитей и их влияние на коэффициент трения исследовали в работе [9]. Взаимное трение нитей методом вытягивания нитей из ткани изучали в работе [8], где был сделан вывод, что увеличение трения между нитями приводит к расширению активной зоны выдергивания нитей в бронепакете, увеличивая диссипацию энергии при баллистическом ударе. Трение нитей методом вытягивания нитей, а также трение и износ волокон Кеу1аг при контакте с металлами, исследовали в работе [10]. Отмечено, что лучше измерять свойства при более высоком давлении и скорости нагрузки, чем это удалось сделать самим авторам. J.E. Югк^ооё с соавторами [11, 12] использовали значения коэффициента трения, полученные методом вытаскивания нитей, для моделирования диссипации энергии тканью при распрямлении нитей. D.A. 8Иоскеу с соавторами [13] применяли полученный путем
20
400
Ь, мм
Рис. 2. Зависимость силы натяжения нитей основы (1) и утка (2) от смещения захвата. Начальная длина образца основы и утка Ь = 340 и 352 мм соответственно.
таких испытаний коэффициент трения для прогнозирования поведения тканей методом трехмерного моделирования. Они обнаружили, что коэффициент трения зависит от способа переплетения ткани. В своей работе 8. Reboui11at [14] показал, что в тканях, сделанных из нитей с меньшей линейной плотностью, коэффициент трения выше, возможно, вследствие большего числа точек соприкосновения по длине нити.
Согласно работе [15], диссипация энергии силами трения может значительно превышать энергию продольной волны. Иными словами, основным механизмом диссипации является работа сил трения, возникающих при извлечении нитей из ткани.
Цель настоящего исследования — изучить работу сил трения между нитями при их извлечении из арамидной ткани.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
На рис. 1 показана схема испытания. В верхний захват закрепляли вытягиваемую из ткани нить, а в нижний — устанавливали П-образную деталь, которая держит образец ткани таким образом, что рабочая зона с извлекаемой нитью (или с несколькими нитями) остается не зажатой. Скорость перемещения верхнего захвата 20 мм/мин. Измерение силы вытягивания нити позволяет определить силу трения.
Исследования проводили на тканях Армос и Русар полотняного и саржевого плетения разной плотности с использованием стандартной испытательной машины "Шимадзу".
Кривые сила—удлинение при вытягивании нитей основы и утка из ткани Армос полотняного переплетения представлены на рис. 2. Видно, что вначале нагрузка возрастает, а затем плавно сни-
1
3
3
F9 Н
0 4 8 12
Ь, мм
Рис. 3. Начальный участок зависимости силы натяжения нити от смещения захвата. Основа, Ь = 110 мм,
V = 0.2 мм/мин.
жается. Достижение максимума на кривой обусловлено тем, что с некоторого момента нить начинает вытягиваться как единое целое. Максимальная сила вытягивания нитей основы больше, чем утка. И напротив, угол наклона линейной части кривой выше для нитей утка.
На рис. 3 показана начальная часть кривой нагрузка—удлинение для нитей основы, вытягиваемых из ткани Армос со скоростью 0.5 мм/мин. Приложенная нагрузка затрачивается на преодоление сил трения о соседние нити и равна ей. В начальной части кривой нагрузка приблизительно пропорциональна перемещению захвата. Линия неровная, небольшие нерегулярные колебания нагрузки наблюдаются вследствие локального проскальзывания и распрямления нити основы относительно утка.
На рис. 4 представлена фотография ткани, сделанная в процессе нагружения одной нити основы до достижения максимальной нагрузки (рис. 2). Сзади ткань подсвечивали ярким светом и фотографировали со вспышкой. Нить основы вытягивалась в вертикальном направлении. Вытягиваемая нить, отмеченная стрелкой, выглядит более ярко. Изучение изображения показало, что яркий вид вытягиваемой нити обусловлен двумя причинами. Во-первых, нить распрямляется и отражает в фотоаппарат больше света вспышки (фотографирование производили под прямым углом). Во-вторых, вытягиваемая нить раздвигает соседние нити, и в фотоаппарат попадает больше света лампы. Из-за раздвижения соседних нитей необратимо изменяется структура ткани. Таким образом, удается визуализировать зону сдвиговых сил трения, обеспечивающих натяжение вытягиваемой нити.
Зависимость силы натяжения нити от длины зоны трения показана на рис. 5. Вначале нагрузка линейно возрастает по мере увеличения длины
Рис. 4. Фотография зоны трения (указана стрелкой)
при вытягивании одной нити основы.
зоны трения, а затем наклон прямой уменьшается. Как видно, сила трения скольжения нити непостоянна.
На рис. 6 продемонстрирована зависимость максимальной силы натяжения нити от длины образца ткани полотняного переплетения при вытягивании одной нити основы и утка. Зависимости описываются прямыми линиями, причем угол наклона для нитей основы и утка различен. Сила вытягивания основы выше, чем утка. Изучение нитей основы и утка в микроскопе показывает, что нити основы волнистые, а уток относительно ровный, чем и объясняется более низкое трение.
На рис. 7 представлена зависимость максимальной силы натяжения от количества нитей, вытягиваемых из ткани полотняного плетения разной длины. С увеличением количества вытягиваемых нитей наблюдается нелинейный рост нагрузки, наиболее заметный при значительной длин
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.