剪切增稠液填充经编间隔织物的冲击压缩性能及缓冲吸能机理

Shear thickening fluid filled warp knitted spacer fabrics are the functional protective composite, which has excellent advantages of impact resistance owing to its higher energy absorption and good comfort of wear. In this project, the flexible protective composites are made of warp knitted spacer fabrics filled with shear thickening fluid, the impact compression tests at various strain rates of composite are operated, the impact deformation and compressive stress vs. strain curves and energy absorption of composites with different structure are studied. The microstructure models are designed, the user-defined material subroutines (UMAT) are defined by considering the dynamic strain rate effect, the impact deformation and dynamic property of composite are simulated via finite element methods, the compression strength and stress vs. strain curves of composite are forecasted. The damage and energy absorption mechanism of flexible composite is observed. The influence of fabric structural parameters and viscosity of STF are investigated, the best structure parameters of composite for higher impact compression are calculated. The design system is build for industrial manufacturing the flexible protective material. The project can indicate the impact compression mechanism of STF filled warp knitted spacer fabric flexible composite form microstructure models, the result can provide theoretical basis and technical support for designing the novel flexible impact-resistance composites.

剪切增稠液（STF）填充经编间隔织物是一种功能性复合防护材料，具有优异的缓冲吸能效果和穿着舒适性，在抗冲击柔性防护材料设计和应用方面具有特殊优势。本项目以三维经编间隔织物为增强体，利用STF填充，制作柔性防护材料，并开展在不同应变率下的系列冲击压缩实验，研究不同参数防护材料冲击变形破坏、应力应变曲线和能量吸收；建立防护材料的细观模型，编制考虑动态加载应变率效应的用户材料子程序，结合有限元程序计算防护材料在动态加载下的变形和破坏，预测防护材料在动态加载下的应力应变曲线和压缩强度，揭示材料的压缩变形、破坏机制和能量吸收机理；探讨织物结构参数及STF性能对冲击压缩性能的影响，优化柔性防护材料应有的结构参数特征，形成可直接应用于抗冲击柔性防护材料工业化制造的设计体系。该项目通过在细观结构层次揭示冲击能量吸收机理，为研发新型抗冲击柔性纺织结构复合材料提供理论依据和技术支持。

剪切增稠液（STF）是一种性能优异的非牛顿流体，在受到冲击后会突然变硬，抵抗冲击载荷，应力消失后，自动回复到原来的液体状态。因此，STF广泛地应用在抗冲击防护和缓冲领域。间隔织物具有三维整体结构，具有很好的缓冲性能，可以用于冲击防护和功能复合材料。本项目以三维间隔织物为增强体，利用STF填充，制备一种新型的功能性复合防护材料并研究其抗冲击吸能机理。首先，研究了STF的制备及流变性能的影响因素。圆形的单一粒径的粒子更易发生增稠；分散介质的分子量越大，带有支链可以提高体系的粘度及增稠效果。调整分散体系的pH值可以改变临界剪切速率。增稠的机理可以采用粒子簇和膨胀机理来进行解释。通过对STF的冲击测试发现，在冲击过程中，粒子间相互接触并形成网状力链，并将载荷传递出去。高浓度的STF具有更好的缓冲效果。其次，通过设计和改造设备，制备了不同结构的间隔织物，并研究其结构参数对冲击性能的影响。间隔织物的冲击过程中平台阶段决定着能量吸收大小，而峰值载荷反应了织物的抗冲击缓冲效果。再次，制备了STF填充间隔织物和STF浸渍高性能织物复合材料，并研究两种复合材料在不同应变率下抗冲击性能。STF填充间隔织物，可以提高织物的缓冲效果，降低峰值载荷。STF浸渍织物在低速冲击下，可以限制纱线的滑移，传递应力，从而提高织物的防刺和防弹效果。但在高速子弹冲击下，其破坏方式发生变化，防护效果反而降低。最后，建立复合材料的细观模型，编制考虑动态加载应变率效应的用户材料子程序，结合有限元程序计算材料在动态加载下的变形和破坏。织物在受到冲击时，会通过纱线将应力传递到STF中，STF的增稠提高了织物的抵抗能力，同时吸收更多的能量，从而降低峰值载荷，起到良好的缓冲性能。在柔性抗冲击复合材料设计时，应优化间隔织物的结构参数，并根据应变率范围，配置合适增稠效果的STF，从而达到最佳的抗冲击缓冲效果。本项目为研发新型抗冲击柔性纺织结构复合材料提供理论依据和技术支持。