научная статья по теме ВЛИЯНИЕ ВОДЫ НА СИЛУ ТРЕНИЯ НИТЕЙ В АРАМИДНЫХ ТКАНЯХ Физика

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ ВОДЫ НА СИЛУ ТРЕНИЯ НИТЕЙ В АРАМИДНЫХ ТКАНЯХ»

МЕХАНИКА ПОЛИМЕРОВ

УДК 541.64:546.212

ВЛИЯНИЕ ВОДЫ НА СИЛУ ТРЕНИЯ НИТЕЙ В АРАМИДНЫХ ТКАНЯХ1 © 2014 г. С. Л. Баженов, Г. П. Гончарук

Институт синтетических полимерных материалов им. Н.С. Ениколопова Российской академии наук

117393 Москва, Профсоюзная ул., 70 Поступила в редакцию 16.01.2013 г.

Принята в печать 21.10.2013 г.

Ткани на основе высокопрочных органических волокон обладают прекрасной способностью рассеивать энергию баллистического удара. По этой причине их используют в защитных шлемах и гибких бронежилетах. Основным механизмом поглощения энергии в тканях при поперечном ударе является работа сил трения. Силу трения нитей исследовали путем вытягивания нескольких соседних нитей и путем поперечного вдавливания индентора. Изучено влияние воды на силу индентации и силу вытягивания нитей "Армос" и "Русар" из тканей. Вода увеличивает силу трения при выдергивании нитей в несколько раз. Как следствие, при поперечном воздействии изменяется способность рассеивать энергию удара. В тканях "Армос" без гидрофобного покрытия влияние влаги необратимо, и высушивание не приводит к полному возврату сил трения нитей. В тканях "Русар 56319" с гидрофобным покрытием крупные капли воды скатываются с ткани, и влияние на силы трения оказывают только мелкие капли. Отмечен значительный разброс силы индентации, свидетельствующий, видимо, о нестабильности плотности ткани. Проведен анализ механизмов диссипации энергии. В одиночном волокне энергия упругой деформации волокна втрое меньше кинетической энергии волокна. Работа сил трения может на порядок величины превышать сумму кинетической энергии и энергии деформации. Проведена оценка величины увеличения температуры волокна при ударе. При ударе по одиночной нити в случае образования поперечной волны при неупругом ударе тепло не выделяется. В процессе распространения продольной и поперечной волн диссипация энергии пропорциональна скорости удара в степени 8/3.

БО1: 10.7868/82308112014020011

ВВЕДЕНИЕ

Ткани на основе прочных органических 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. Производство легкой брони в последнее десятилетие выросло в отдельную отрасль со своими производителями материалов и технологического оборудования. В предкризисные годы при среднем росте индустрии на ~5% в год производство легкой брони увеличивалось на 25% [1].

При малой скорости поперечного воздействия органическое волокно деформируется подобно тетиве лука. Однако при скорости ударника, называемой "баллистическим пределом" (~100 м/с), форма волокна изменяется [1]. Используя высокоскоростную фотосъемку, И.Н. Зверев в 40-е годы ХХ века обнаружил, что при баллистическом уда-

1 Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, соглашение № 14.B37.21.0380.

E-mail: bazhenov_sl@rambler.ru (Баженов Сергей Леонидович).

ре по каучуковому волокну в последнем появляется треугольный "клюв". Размер треугольника растет со временем при сохранении углов. Это явление, называемое поперечной волной, подробно исследовал Х.А. Рахматулин [2, 3]. Причиной ее появления служит конечность скорости звука, которая в арамидных сверхвысокомолекулярных (СВМ) волокнах составляет ~9 км/с [4], в полипа-рафениленбензо-бисоксазольных (ПБO) — 10.7 км/с [5], а в сверхвысокомолекулярных полиэтиленовых (СВМПЭ) волокнах в зависимости от марки 11—13.3 км/с.

Помимо поперечной волны, при ударе возникает продольная волна, распространяющаяся вдоль волокна со скоростью звука в обе стороны от точки удара. За фронтом продольной волны волокно однородно растянуто, и величина растягивающего напряжения пропорциональна У4/3 (V — скорость ударника) [6, 7]. При некоторой "критической" скорости ударника растягивающее напряжение достигает предела прочности, и волокно разрывается в момент удара [8].

Высокоскоростной фотосъемкой критическая скорость удара шаром по одиночной нити СВМ была определена как ~670 м/с, что несколько ни-

же теоретического значения 740 м/с [8]. Теоретические значения критической скорости удара для одиночных нитей ПБО, "Кевлар KM2" и СВМПЭ "Dyneema" равны 1100, 1105 и 934 м/с соответственно [5]. Экспериментальные значения критической скорости при ударе имитатором осколка снаряда находятся в интервалах 517—583, 523— 610 и 621—634 м/с соответственно, что заметно ниже теоретических значений [5]. Это объяснялось нелинейным релаксационным поведением полимера [8] и дополнительным напряжением, возникающим при упругом отражении волокна от поверхности ударника [5]. На основании экспериментальных данных D.J. Carr [9], критическая скорость при ударе шаром по одиночным комплексным нитям "Кевлар" и СВМПЭ фирмы "Dyneema" оценивается как 620 и 685 м/с соответственно.

Ткани на основе органических волокон при поперечном ударе ведут себя аналогично одиночным нитям, но критическая скорость несколько ниже. Для многослойного бронепакета на основе волокон "Кевлар" она составляет 400—500 м/с [10—12]. При критической скорости поглощение энергии тканью резко снижается, а при скорости ~800 м/с вновь начинает расти [10]. В результате, зависимость поглощения энергии от скорости удара имеет ^-образный вид с максимумом при критической скорости. Закономерности поведения тканей при критической скорости удара изменяются, и поэтому различают низкоскоростной и высокоскоростной удар [10]. Поскольку скорость ударника при столкновении с многослойным тканым пакетом постепенно снижается [13—16], то внутренние слои ткани могут находиться в условиях низкоскоростного удара даже при начальной скорости ударника 600 м/с.

Важнейшим фактором, отличающим ткани от других бронематериалов, являются силы трения при взаимном проскальзывании нитей. Повышение баллистической стойкости ткани на основе нейлоновых нитей при увеличении сил трения наблюдал R.C. Laible еще в 1967 году [17]. При относительно невысоких значениях скорости удара этот вывод справедлив и для арамидных волокон [18—28]. Положительная роль взаимного трения нитей обусловлена несколькими причинами. Во-первых, работа сил трения при вытягивании нитей приводит к диссипации энергии [29—31]. Во-вторых, трение нитей препятствует проскакива-нию пули между нитями [21, 23, 29].

Теоретический анализ, выполненный X.S. Zeng с соавторами [23], показал, что зависимость поглощаемой энергии от коэффициента взаимного трения нитей имеет максимум. Авторы выделили три области значений коэффициента трения нитей: низкий (к = 0—0.06), умеренный (к = 0.06— 0.2) и высокий (к = 0.2—1.0). При отсутствии трения зависимость поглощения энергии от скоро-

сти удара монотонно возрастает, как для классических бронематериалов. В области средних значений коэффициента трения на этой зависимости имеется максимум, причем его высота растет при увеличении коэффициента трения. Этот результат согласуется с экспериментальными данными британских авторов, полученными еще в 1981 г. и теперь рассекреченными [18]. При слишком сильном трении высота пика начинает снижаться [23]. Наличие пика на кривых зависимости поглощения энергии от скорости удара отличает ткани от традиционной брони. Высота пика характеризует вклад работы сил трения нитей в диссипацию энергии. Как следствие, она описывает качество разработки бронепакета. Согласно теоретическому анализу [31], диссипация энергии силами трения может на порядок превышать энергию упругой деформации волокон. Насколько известно авторам, лучший результат был достигнут в работе [11], в которой показано, что вклад работы сил трения в 5—6 раз превышал суммарную диссипацию энергии всеми остальными механизмами диссипации энергии.

Излишне сильное трение ограничивает взаимное проскальзывание нитей, что приводит к уменьшению критической скорости удара (362 м/с) и снижению поглощения энергии в 1.6 раз [25]. Поэтому в критической области значений скорости сильное трение нитей нежелательно. Поведение тканей при поперечном ударе различно в трех скоростных интервалах. При низкой скорости удара (до ~300 м/с, т.е. ниже критической) волокна не рвутся, и поглощение энергии растет со скоростью. При скорости удара вблизи критической (400—700 м/с) часть волокон рвется в момент удара, а другие волокна формируют поперечную волну [5, 8]. Отметим, что изменение характера деформирования нитей происходит не резко, и переходная область имеет неожиданно большую ширину. В этой области поглощение энергии снижается со скоростью. В критической области сильное трение нитей нежелательно, и поэтому при ударе со скоростью ~600 м/с во внешних слоях бронепакета использовали ткани саржевого переплетения, в которых нити легко проскальзывают, а во внутренних слоях — ткань с повышенным трением нитей [32].

При высокой скорости (1000 м/с) в области удара происходит разрыв волокон, и нить имеет другой вид (см. работу [9]). При скорости удара выше 1000 м/с текстильные материалы на основе арамидных волокон считаются неэффективными [33].

Взаимное трение изучали методом вытягивания нитей из ткани [18—29]. Трение нитей изменяли несколькими способами. Например, химической обработкой поверхности волокон и нанесением каучукового покрытия [18, 19]. Но более

эффективным способом является изменение способа переплетения нитей. В частности, сила трения в тканях саржевого переплетения намного ниже, чем в полотне [31]. Эффективным способом варьирования сил трения можно назвать изменение линейной плотности нитей [24].

В работах [34—40] для увеличения сил трения между нитями арамидные ткани пропитывали коллоидным раствором на основе частиц SiO2. При ударе со скоростью до 436 м/с это приводило к повышению баллистической стойкости. Напротив, при скорости ударника 550 м/с баллистическая стойкость бронепакета, пропитанного коллоидными частицами SiO2, не возрастала по сравнению с непропитанным материалом [41]. В российских средствах массовой информации ткани, пропитанные коллоидным раствором частиц SiO2, называют "жидкой броней". По вопросу этой пропитки ведется довольно острая дискуссия [4

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»