Tiến trình nghiên cứu của vật liệu chống stab linh hoạt của Aramid

Cơ chế chống đâm trong vật liệu chống đâm linh hoạt

Không giống như các vật liệu chống đâm cứng nhắc, các vật liệu chống đâm linh hoạt thường bao gồm nhiều lớp vật liệu tổng hợp hiệu suất cao. Trong quá trình xâm nhập của một lưỡi kiếm, vải composite trong vật liệu linh hoạt chống lại sự đâm bằng cách sử dụng ma sát, biến dạng kéo và các cơ chế khác, cuối cùng làm tiêu tan năng lượng của dụng cụ đâm và khóa an toàn đầu của nó.

Quá trình chống đâm liên quan đến các giai đoạn sau:

• Liên hệ ban đầu:Khi lưỡi kiếm lần đầu tiên tiếp xúc với vải, nó tác dụng một lực tương tác với cấu trúc của vải. Tất cả các loại vải dệt, dệt kim hoặc không dệt đều thể hiện độ kín nhất định, tạo biến dạng để cản trở sự xâm nhập hơn nữa cho đến khi vật liệu đạt đến giới hạn biến dạng của nó.
• Lực ma sát và lực cắt:Cạnh lưỡi dao, có chiều rộng nhất định, tạo ra lực kéo dọc theo mặt phẳng ngang của vải và lực cắt trong mặt phẳng thẳng đứng. Các lực kéo khiến các sợi thay đổi, mở rộng khe, trong khi lực cắt dẫn đến sự phá vỡ sợi, tăng thêm lỗ mở.
• Hoàn toàn thâm nhập:Dưới hành động kết hợp của lực kéo và lực cắt, vải cuối cùng bị xỏ.

Để có hiệu quả, các vật liệu chống đâm phải chống lại cả lực kéo và lực cắt, với điện trở cắt là yếu tố chiếm ưu thế.

Cấu trúc cơ sở của vật liệu chống dính aramid linh hoạt

1.Vải đơn hướng Aramid:
Vải đơn hướng được đặc trưng bởi các sợi thẳng, không có dây buộc phù hợp theo một hướng duy nhất. Nó không có các điểm xen kẽ trên bề mặt, cho phép sóng ứng suất lan truyền mà không có sự phản xạ, cho phép hấp thụ năng lượng nhanh chóng. Vải đơn hướng Aramid là một vật liệu linh hoạt thường được nhiều lớp trực giao (0 °/90 °) với chất kết dính để tăng cường khả năng chống đâm. Chất kết dính phục vụ để cố định các sợi tại chỗ và giảm độ sâu thâm nhập.
Ví dụ, Wu Zhongwei et al. Vải đơn hướng aramid đã sửa đổi với nhựa polyurethane trong nước để phát triển các vật liệu chống đâm linh hoạt. Họ đã tối ưu hóa điện trở đâm bằng cách điều chỉnh lượng nguyên liệu, áp suất và nhiệt độ, đạt được mật độ bề mặt là 7,65 kg/m2, đáp ứng các tiêu chuẩn kháng GA68-2008. Tuy nhiên, do việc sử dụng các bộ điều chỉnh kết dính, vật liệu kết quả có tính linh hoạt kém, khiến nó không phù hợp với hàng may mặc chống đâm linh hoạt.

2.Vải không dệt aramid:
Không giống như các loại vải đơn hướng, không dệtVải AramidTính năng các sợi định hướng ngẫu nhiên, cung cấp các thuộc tính đẳng hướng và cấu trúc dày hơn. Những phẩm chất này cung cấp sức đề kháng tốt hơn đối với các đối tượng sắc nét. Các loại vải không dệt cũng đơn giản hơn để sản xuất, thân thiện với môi trường và tiết kiệm năng lượng.
Ví dụ, Li TT và các đồng nghiệp pha trộn các sợi Kevlar với các sợi polypropylen theo tỷ lệ trọng lượng 70:30, sử dụng cú đấm kim và nhấn nóng để tạo ra các loại vải không dệt kevlar/pp. Ở nhiệt độ ép nóng 170 ° C, vật liệu đã chứng minh khả năng chống đâm tuyệt vời. Tuy nhiên, sự sắp xếp sợi bên trong lỏng lẻo và lực liên kết yếu của các loại vải không dệt hạn chế sức đề kháng cắt tổng thể của chúng khi được sử dụng độc lập.

3.Vải dệt aramid:
Các loại vải dệt Aramid được hình thành bằng cách xen kẽ sợi sợi và sợi ngang, tạo ra một cấu trúc chặt chẽ, cản trở sự xâm nhập một cách hiệu quả.

• Dệt đơn giản: Tính năng các sợi song song và các cấu trúc chặt chẽ, cung cấp sức mạnh cân bằng.
• TWILL WAVE: Sử dụng các sợi thô và cấu trúc lỏng hơn, thường là cho các loại vải nặng.
• Satin Weave: Có ít điểm xen kẽ hơn, làm cho các sợi dễ bị trượt dưới lực.
  Trong khi các loại vải dệt cung cấp xen kẽ chặt chẽ, một khi lưỡi cắt cắt qua sợi sợi hoặc sợi ngang, việc mở mở rộng đáng kể, làm giảm khả năng chống đâm.

4.Vải dệt kim aramid:
Vải dệt kim Aramid bao gồm các vòng và xứ Wales. Khi một lưỡi kiếm xâm nhập, các vòng trượt, thắt chặt các vòng liền kề và tăng ma sát giữa các sợi, do đó cản trở sự xâm nhập hơn nữa. Trong quá trình thắt chặt này, một số năng lượng tác động được hấp thụ. Một khi các vòng được căng thẳng hoàn toàn, vải đạt được trạng thái "tự khóa", ngăn chặn sự thâm nhập thêm.
Li Ning và các đồng nghiệp đã nghiên cứu hiện tượng "tự khóa" trong các loại vải dệt kim, phát hiện ra rằng các cấu trúc sườn cung cấp khả năng chống đâm tốt nhất, tiếp theo là dệt kim ngang đơn giản và dệt kim. Trình tự các cấu trúc lớp cũng ảnh hưởng đến hiệu suất, với các cấu trúc sườn được đặt trên lớp ngoài cùng đạt được kết quả tối ưu.

Sửa đổi các vật liệu chống đâm linh hoạt của aramid

3.1 Sửa đổi lớp phủ bề mặt

Các hạt phủ hoặc màng mỏng trên bề mặt sợi aramid giúp tăng cường ma sát liên sợi, cải thiện khả năng chống đâm bằng cách làm mờ lưỡi kim loại sắc bén thông qua mài mòn. Ví dụ, Nayak R et al. Các hạt cacbua boron được áp dụng để sửa đổiVải Aramid 1414Bề mặt, đạt được lực chống đâm 14 N ở độ sâu thâm nhập 17 mm so với chỉ 4 N đối với vải không tráng. Điện trở thâm nhập được cải thiện được quy cho hiệu ứng bảo vệ bổ sung được cung cấp bởi lớp phủ. Tương tự, Javaid Mu et al. đã nghiên cứu cơ chế chống đâm của các loại vải được phủ SiO₂. Các loại vải không tráng cho thấy các tương tác bị cô lập giữa các sợi và lưỡi, dẫn đến dễ dàng cắt. Ngược lại, lớp phủ SiO₂ tăng ma sát giữa các sợi, giảm dịch chuyển sợi và tăng cường khả năng chống đâm.

Lớp phủ gốm cứng kết hợp với các loại vải cường độ cao cũng ngăn chặn sự thâm nhập từ các tác động bên ngoài. Ví dụ, Gadow R et al. Áp dụng lớp phủ gốm bằng kim loại và oxit cho vải aramid bằng kỹ thuật phun nhiệt. Các thử nghiệm đâm tĩnh cho thấy hiệu suất chống đâm được cải thiện đáng kể cho các loại vải với lớp phủ gốm cứng. Nhựa hữu cơ cũng đã được sử dụng để sửa đổi lớp phủ. Ví dụ, Zhuang Q et al. Chuẩn bị các vật liệu tổng hợp nhựa aramid/epoxy, giảm độ sâu thâm nhập từ 37,3 mm xuống 4,8 mm, tăng cường đáng kể hiệu suất chống đâm. Hiệu quả được khuếch đại hơn nữa với vật liệu tổng hợp nhiều lớp.

Các hạt nano vô cơ và nhựa hữu cơ thường được kết hợp với nhau để cải thiện hiệu suất chống dính của vật liệu linh hoạt Aramid. Ví dụ, Xia Minmin et al. đã phát hiện ra rằng các loại vải aramid 1414 được phủ bằng nhựa cacbua/epoxy tăng cường độ nước mắt từ 50 N lên khoảng 300 N. Rubin W et al. Sợi aramid tráng với cacbua silicon trong ma trận nhựa este vinyl, đạt được hiệu suất chống dính tối ưu với hàm lượng cacbua silicon 20% trọng lượng. Tương tự, Xiayun Z et al. đã phát triển các vật liệu chống đâm linh hoạt bằng cách phủ các loại vải aramid với chất lỏng polyurethane/silica/silica/silica (STF). Các loại vải được phủ một dung dịch chứa silica bốc khói 3% đã chứng minh khả năng chống dao cao và lực đâm thủng.

3.2 Chất lỏng-chất lỏng dày (STF) Sửa đổi tẩm

STF là một chất lỏng phi Newton bao gồm các pha và phương tiện truyền thông phân tán. Khi các sợi aramid được sửa đổi với STF phải chịu các lực bên ngoài, độ nhớt của STF tăng mạnh, hoạt động như một chất rắn và cung cấp bảo vệ chống đâm. Khi lực được loại bỏ, độ nhớt trở về trạng thái giống như chất lỏng ban đầu, mang lại sự linh hoạt cho các vật liệu bảo vệ. Li Danyang et al. Chuẩn bị các vật liệu chống vết thương linh hoạt bằng cách tẩm vải Aramid với STF. Họ đã tìm thấy những cải thiện đáng kể về hiệu suất chống đâm trên các cấu trúc vải khác nhau, với những cải tiến lớn hơn được quan sát với các điểm đan xen vải tăng lên.

Loại, kích thước hạt, nội dung và sửa đổi bề mặt của các hạt nano trong STF cũng ảnh hưởng đến hiệu suất vải. Ví dụ, Li et al. Các hạt SiO₂ đã sử dụng có đường kính 12nm và 75nm làm pha phân tán, cùng với ống nano carbon đa thành (MWCNTs) để chuẩn bị vật liệu tổng hợp STF/MWCNT. Các loại vải Aramid được tẩm với các hạt SiO₂ 12nm thể hiện khả năng chống dao vượt trội so với các hạt có hạt 75nm. Zhang Wangyang et al. nhận thấy rằng các loại vải aramid tinh khiết đã chịu đựng được 73 N ở độ sâu đâm 30 mm, trong khi các loại vải được tẩm STF có chứa 30% SiO₂ và 70% PEG đạt được cường độ chống đâm cao nhất trong điều kiện tĩnh.

Mặc dù hiệu quả của các sửa đổi STF, chúng có thể làm giảm độ thở và độ ẩm thấm, ảnh hưởng đến sự thoải mái trong khi hao mòn.

3.3 Sửa đổi tổng hợp nhựa

Các vật liệu chống dính composite aramid-resin kết hợp cường độ cao và mô đun của sợi aramid với các đặc tính đa chức năng của ma trận nhựa. Mayo JB et al. nhận thấy rằng nhựa nhiệt dẻo (polyetylen, polymethyl methacrylate và polyethylen-methyl methacrylate copolyme) đã cải thiện đáng kể hiệu suất chống dính của sợi JSP 706 Kevlar. Bằng cách điều chỉnh các loại nhựa và độ dày, các loại vải với các đặc tính chống đâm khác nhau đã thu được.

Liu Yulong kết hợp các hạt nano SiO₂ với nhựa Surlyn để điều chỉnh tổng hợp sợi aramid. Ở hàm lượng nhựa là 33%trọng lượng, cần 36 lớp để chịu được 24 J năng lượng, trong khi chỉ cần 30 lớp ở hàm lượng nhựa là 44%trọng lượng. Kim H et al. quan sát thấy rằng polyetylen mật độ thấp (LDPE) đã tăng cường quá trình chống thấm của vải Kevlar hiệu quả hơn nhựa Epoxy, mặc dù hiệu suất của LDPE chỉ giới hạn ở các giai đoạn thâm nhập ban đầu.

Phương pháp xếp chồng của vải nhựa và aramid cũng ảnh hưởng đến hiệu suất. Ví dụ, Chen Li và Wang Botao đã áp dụng polyurethane cho các loại vải dệt trơn aramid bằng cách sử dụng lớp phủ ướt, lớp phủ và phương pháp phủ trực tiếp khô. Trong số này, phương pháp lớp phủ chuyển cung cấp hiệu suất chống đâm tốt nhất.

3,4 Sửa đổi tổng hợp sợi

Pha trộn các sợi aramid với các sợi khác sử dụng các kỹ thuật sợi lõi-spun là một phương pháp khác để sản xuất các vật liệu chống đâm linh hoạt hiệu suất cao. Ví dụ, Tien DT et al. nghiên cứu các loại vải dệt được làm từ các sợi lõi aramid-Cotton với mật độ bề mặt khác nhau. Khi tỷ lệ trọng lượng của aramid so với bông là 1: 2.5, và mật độ sợi dọc và sợi ngang lần lượt là 16,4 sợi/cm và 8.4 chủ đề/cm, các vật liệu đã thể hiện khả năng đeo tuyệt vời và hiệu suất chống đâm được cải thiện tuyệt vời.

Số lượng và sự sắp xếp của các lớp sợi cũng ảnh hưởng đến hiệu suất. Du Lingling et al. đã nghiên cứu ảnh hưởng của các lớp xếp chồng lên các đặc tính chống đâm của các loại vải được làm từ sợi chủ lực aramid và sợi thép không gỉ. Họ thấy rằng việc tăng số lượng các lớp cải thiện khả năng chống dao.

Phần kết luận

Hiện tại, các loại vải dệt, dệt kim, không dệt và đơn hướng làm từ sợi aramid được sử dụng để sản xuất vật liệu chống dính linh hoạt. Các phương pháp sửa đổi như vật liệu tổng hợp nhựa, lớp phủ bề mặt và tẩm STF giúp tăng cường hiệu suất của các sản phẩm dệt hiệu suất cao, thúc đẩy tiến bộ trong vật liệu chống đâm linh hoạt của Aramid. Tuy nhiên, chi phí cao và giảm sự thoải mái do các phương pháp hoàn thiện nhất định vẫn là những thách thức.

Đọc thêm: Tình trạng nghiên cứu và triển vọng vải chống cắt Chẳng hạn như sợi uhmwpe