ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2015, том 462, № 3, с. 316-318
УДК 541.64:539
ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
ВЛИЯНИЕ ПОПЕРЕЧНОГО ДАВЛЕНИЯ НА ПРОЧНОСТЬ АРАМИДНЫХ НИТЕЙ
© 2015 г. С. Л. Баженов, Г. П. Гончарук, А. В. Бобров
Представлено академиком РАН А.А. Берлиным 18.12.2014 г. Поступило 18.12.2014 г.
DOI: 10.7868/S0869565215150189
Ткани на основе арамидных волокон обладают высокой способностью рассеивать энергию баллистического удара. По этой причине их используют в шлемах и гибких бронежилетах, а также в качестве внутренних слоев жесткой брони [1]. При поперечном баллистическом ударе возникает продольная волна, распространяющаяся вдоль волокна со скоростью звука в обе стороны от точки удара. Используя высокоскоростную фотосъемку, Х.А. Рахматулин обнаружил, что при поперечном ударе в каучуковом волокне появляется поперечная волна в форме равностороннего треугольника, размер которого растет со временем при сохранении углов, а в вершине находится ударник [2, 3].
За фронтом продольной волны волокно однородно растянуто. Величина растягивающего напряжения возрастает со скоростью ударника [5, 6]. При некоторой "критической" скорости ударника растягивающее напряжение достигает предела прочности волокна, и оно разрывается в момент удара [7]. Высокоскоростной фотосъемкой экспериментальное значение критической скорости удара шаром по одиночной нити марки СВМ было определено как »670 м/с [7]. Экспериментальные значения критической скорости для одиночных нитей ПБО, Кевлар КМ2 и СВМПЭ Оупееша при ударе имитатором осколка снаряда находятся в интервалах 517—583, 523—610 и 621—634 м/с соответственно [8]. Для волокон ПБО и Кевлар КМ2 это составляет »50% от соответствующих теоретических значений. Потерю прочности при ударе объясняли
Московский педагогический государственный университет
E-mail: bazhenov_s.l.@rambler.ru
Институт химической физики им. Н.Н. Семенова
Российской Академии наук, Москва
Институт синтетических полимерных материалов
им. Н. С. Ениколопова
Российской Академии наук, Москва
нелинейным релаксационным поведением полимера [7], а также двукратным возрастанием напряжения, возникающим при упругом отражении волокна от поверхности ударника [8]. Однако к снижению продольной прочности волокон может приводить и их поперечное повреждение при поперечном сжатии.
Цель настоящей работы состояла в исследовании влияния предварительного поперечного сжатия ткани на остаточную продольную прочность арамидных нитей Русар. Впервые показано, что поперечное сжатие приводит к снижению продольной прочности нитей, причем при некотором сжимающем напряжении обнаружен взрыв ткани. Снижение продольной прочности объясняется пластическим деформированием волокон под действием поперечного сжатия, а причина взрыва не выяснена.
Исследования проводили на комплексных нитях и тканях Русар 56319 саржевого плетения.
Рис. 1. Зависимость остаточной прочности при растяжении (а*) нитей Русар от поперечного напряжения (а^), приложенного к арамидной ткани.
ВЛИЯНИЕ ПОПЕРЕЧНОГО ДАВЛЕНИЯ
317
Рис. 2. РЭМ-изображение волокон Русар после прокатки нитей.
Из ткани вырезали прямоугольные образцы размером 100 х 100 мм. Слои ткани располагали между стальными цилиндрами диаметром 12 мм с неострыми кромками, помещали в пресс и прикладывали сжимающую силу. После сжатия образец ткани разбирали на отдельные нити и определяли их остаточную прочность. Механические испытания нитей после прокатки и поперечного сжатия в прессе проводили на универсальной испытательной машине 8Ытаё2и при скорости растяжения 5 мм/мин и длине рабочей части 30 мм. После сжатия нити извлекали из куска ткани путем разбора нитей на отдельные отрезки.
Деформацию при прокатке оценивали как отношение изменения толщины нити Ad к ее исходной толщине до прокатки d0: е = Ad/d0, где Ad = d0 — d и d — толщина нити после прокатки.
На рис. 1 показана зависимость остаточной прочности (а*) нитей Русар от величины предварительного поперечного напряжения сжатия (а) ткани. Остаточная прочность нитей снижается с ростом напряжения, причем при напряжении выше 0.9 ГПа снижение становится резким, а при напряжении 1.35 ГПа ткань взорвалась по периметру сжимающего цилиндра и нити при этом разорвались. При взрыве выделялся дым. При увеличении сжимающего напряжения возрастает разброс значений остаточной прочности нитей. Это означает, что при поперечном сжатии прочность разных нитей снижается различно. Некоторые нити случайно повреждаются сильнее других.
На рис. 2 показано РЭМ-изображение волокон Русар после поперечного сжатия. Волокна в нитях пластически деформированы. На них наблюдаются вмятины, свидетельствующие о пластическом деформировании при сжатии соседних цилиндрических волокон, ориентированных под
Рис. 3. Фото образца после взрыва.
небольшим углом вследствие крутки нити. Предел текучести арамидных волокон при поперечном сжатии равен ~60 МПа [10]. В этой работе поперечное напряжение было на порядок выше и поэтому волокна пластически деформировались [11].
На рис. 3 показано фото центральной части образца после взрыва. Взрыв произошел на границе области сжатия между двумя металлическими цилиндрами, и сжимаемый образец приобрел круглую форму, как у сжимавших его цилиндров. Круглая центральная часть образца осталась целой, а по периметру наблюдали оплавление ара-мидных волокон. За областью оплавления нити разрушены.
Таким образом, поперечное сжатие арамидных волокон приводит к их пластическому деформированию и — как следствие — к уменьшению продольной прочности. При увеличении поперечного сжимающего напряжения возрастает дисперсия прочности нитей. Это означает, что одни нити случайным образом повреждаются сильнее, чем другие.
Работа выполнена в рамках выполнения госзадания Минобрнауки РФ № 11.1029.2014/К.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Вагнер Л.// Легкие баллистические материалы. М.: Техносфера, 2011.
2. Рахматулин Х.А. // Прикл. математика и механика. 1945. Т. 9. № 6. С. 449-462.
3. Рахматулин Х.А. // Прикл. математика и механика. 1947. Т. 11. № 3. С. 379-382.
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК том 462 № 3 2015
318
БАЖЕНОВ и др.
4. Rogozinsky A.K., Bazhenov S.L. // Polymer. 1992. V. 33. № 7. P. 1391-1398.
5. Smith J.C., McCrackin F.L., Schifer H.F. // Textile Res. J. 1958. V. 28. P. 288.
6. Smith J.C., Blandford J.M., Schifer H.F. // Textile Res. J. 1960. V. 30. P. 752.
7. Bazhenov S.L., Dukhovskii I.A., Kovalev P.I., Rozh-kov A.N. // Polym. Science. A. 2001. V. 43. № 1. P. 6171.
8. Walker J.D., Chocron S. // J. Appl. Mech. 2011. V. 78. № 5. Pap. 051021.
9. Bazhenov S.L., Goncharuk G.P. // Polym. Science A. 2014. V. 56. № 2. P. 184-195.
10. Bazhenov S.L., Kozey V.V. // J. Mater. Sci. 1991. V. 26. P. 2677-2684.
11. Carr D.J. // J. Mater. Sci. Lett. 1999. V. 18. № 7. P. 585-588.
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК том 462 № 3 2015
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.