关键词:
剪切增稠液
抗冲击材料
编织结构
数值模拟
摘要:
在地震救援等紧急场景中,消防人员常常面临机械物体冲击的威胁,而这种冲击可能给救援人员带来严重伤害,进而影响救援效果。目前已有的防护服抗冲击性能相对较差,因此,迫切需要研发出具有抗冲击性能的柔性材料,以帮助减少这类事故的发生。而研发兼具抗冲击性和舒适性的柔性防护材料一直是许多学者研究的重点和难点。虽然利用剪切增稠液制备的抗冲击柔性材料解决了传统防护材料厚重、灵活性差等问题。但是目前剪切增稠液—柔性防护材料普遍存在一些问题:剪切增稠液常态下呈现液体状,不稳定,长期接触空气容易出现沉淀现象;材料长时间使用后二氧化硅纳米粒子会脱落,降低材料的防护性能;脱落的纳米粒子长期和皮肤接触会对人体造成伤害。因此,本课题设计并开发了一种剪切增稠液填充编织管结构的柔性防护材料,管内密封的方法赋予了材料更佳的抗冲击性能,编织结构提高了材料的柔软灵活度,课题的研究内容和成果如下:(1)抗冲击编织材料方案设计基于剪切增稠液的抗冲击机理,明确了剪切增稠液吸能缓冲性能的影响因素,围绕织物组织几何结构理论,对织物组织结构在冲击载荷下的受力特点进行了总结。围绕抗冲击柔性防护服用材料的应用需求和现存问题,提出了剪切增稠液填充编织管结构的柔性防护材料的设计方法:将剪切增稠液填充进硅胶管中密封,再将硅胶管编织成二维组织结构。管内密封能够提高剪切增稠液的利用率,避免与空气和皮肤直接接触,不仅能够防止STF因为接触空气而性能降低,还能解决纳米粒子脱落接触皮肤而伤害人体的问题,编织结构提高了材料的柔软灵活度,该设计方法满足了抗冲击防护服的应用需求。(2)编织结构的有限元仿真抗冲击机理分析通过有限元仿真研究了编织组织结构对材料抗冲击性能的影响,以及剪切增稠液在编织结构中的抗冲击机理。课题主要研究了平行直线交叉结构、平行-弯曲交叉结构和弯曲交叉结构这三种交织点结构的抗冲击性能差异,实验结果表明,弯曲交叉结构的整体能量吸收率最高,底层面料承载力峰值最小,其防护效果相对较好。此外,通过有限元仿真研究了冲击速度对剪切增稠液吸能缓冲性能的影响,冲击速度越大,剪切增稠液的吸能占比越大,防护作用效果越好。最后,对完整的平纹组织编织材料模型进行了钢板冲击模拟实验,该组织结构具有较好的防护效果,能够吸收89.35%的冲击能量。(3)抗冲击编织材料的制备掌握了抗冲击编织结构材料的制备工艺和流程,具体工艺流程如下:使用注射器将剪切增稠液填充进硅胶管中,在硅胶管外面套上一层针织管套进一步改善材料的舒适性和抗冲击性,使用自制的编织管固定器进行编织。对编织材料进行了手感风格测评和压缩性能测评,实验结果表明,该材料具有较好的柔软度,手感舒适,具备良好的服用性能。填充了剪切增稠液的编织材料相比起填充了水的编织材料具备更好的抗压缩性能,在相同应变下能够承受更大的压缩载荷,并且管径为6mm的编织材料的防护性能优于管径为8mm的编织材料。(4)落球冲击实验评价课题通过自己搭建的落球冲击装置对编织材料进行了抗冲击性能评价。落球冲击装置主要包括高度调节杆、胶泥和测力台三部分,通过改变小球冲击高度来调整小球冲击速度,分别从胶泥凹坑外观形态和测力台承受的冲击力这两个方面来评价编织材料的抗冲击性能。冲击实验发现,垫有编织材料的胶泥凹坑体积明显小于未垫编织材料的胶泥凹坑体积,剪切增稠液相比水能够缓冲更大的冲击力,并且随着冲击速度的提高,其缓冲的冲击力也随之增加,说明速度越大,剪切增稠液的吸能缓冲作用效果越明显,并且该变化趋势与仿真结果保持一致。