弹道冲击下石墨烯和聚乙烯改性芳纶织物的钝伤防护性能

芳纶凭借其轻质高强的特点广泛应用于防弹领域。为提高单层芳纶织物的抗钝伤能力,采用热塑性树脂聚乙烯(Polythene,PE)与石墨烯纳米粒子表面改性方法提升芳纶织物的抗钝伤性能。以背衬凹陷为标准,对不同质量配比改性芳纶织物的抗钝伤能力和能量吸收特性进行测试对比。对比结果表明:石墨烯和PE两种改性方法均可提升芳纶织物的抗钝伤能力,其中PE改性方法使得改性织物面密度增加较小但抗钝伤能力显著提升,10%PE的防弹能力和比吸能值较纯芳纶分别提升了18.0%和30.8%;石墨烯改性织物刚性的增加使其低速抗钝伤能力增强,但是过大的纱线间摩擦使其高速防护能力减弱,2%石墨烯粉体为石墨烯改性织物的最佳配比。此外,优化验证得到了2层10%PE和13层的6层正交超高分子量PE无纬布防弹衣组合设计。

小样本驱动特征分段网络的防护材料折痕检测

防刺服能在恐怖袭击、医闹伤害、违法犯罪等事件中有效保护生命安全,然而在生产制造及穿着使用中易产生机械折痕。立足于防护材料折痕缺陷的快速检测需求,创新性地在图像识别方法中提出特征分段网络结构,实现了小样本驱动下防护材料折痕的快速、精准检测功能。通过引入注意力机制和深度可分离卷积模块,并赋予损失函数与优化器两种典型参数,全面提高了特征分段网络模型的检测精度与效率;提出几何信息标注算法,搭建防护材料缺陷可视化检测平台,实现了机械折痕自动精准定位与几何信息输出。模型训练结果表明,特征分段网络模型的准确率可达96.19%,折痕缺陷几何信息标注误差在2%以内,优异的可视化检测功能可拓展到大型工程化自动检测领域。研究工作为下一步构建含有折痕缺陷的防刺装备防护性能预测模型奠定了基础。

曲面型纤维复材防护掩体在爆炸冲击波下的响应特性

自二战以来战场上遗留了大量未爆弹,为合理高效地处置未爆弹,需要强防护和轻量化的防爆掩体以保护拆弹专家的安全。基于该背景,选取铝合金6061-T6、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维层合板和碳纤维层合板3种材料,通过实爆实验和有限元仿真结合的方式,对比研究曲面型防爆掩体与方型防爆掩体在冲击波作用下的抗变形能力和冲击波超压衰减效果。3种材料平板的爆炸实验结果发现,相同面密度靶板的抗变形能力排序为碳纤维层合板>UHMWPE纤维层合板>铝板;由仿真结果可知曲面结构的抗变形能力优于平面结构;在2 kg TNT 3 m距离、0.5 m高处爆炸冲击下,相较于方型防爆掩体,曲面型防爆掩体因其更好的抗变形能力以产生更小的透射超压,在小变形的情况下使掩体内部超压不超过20 kPa,可以保证内部人员安全无伤,其中,材料选择对于曲面型防爆掩体削波效果的影响不大,方型防爆掩体采用碳纤维层合板的效果最好。

爆炸冲击波作用下聚氨酯-半球夹芯结构的动态响应

提高防爆装备的抗爆性能已经成为热门的研究课题,目前的防爆装备主要采用金属制成,一般重量大,采用点阵夹芯结构可以实现轻量化。点阵夹芯结构具有良好的能量吸收效率和在高应变率下的优异力学性能,但以往的防爆研究未考虑过不易变形的半球型点阵,复合了聚氨酯泡沫的抗爆夹芯结构研究更为少见。鉴于此,结合聚氨酯泡沫缓冲吸能以及半球结构的拱形抗变形能力提出一种新型的聚氨酯-半球夹芯结构,并且采用实验和数值模拟相结合的方法对聚氨酯-半球夹芯结构在爆炸冲击波载荷下的动态响应进行研究。研究结果表明,在500 g TNT当量0.65 m爆炸冲击下,相近面密度的聚氨酯-半球夹芯结构中心点位移最小,相较于铝板和纯半球夹芯板分别减小了30%和35%,纯半球夹芯板虽然吸能最多但是变形最大,聚氨酯-半球夹芯结构和铝板的吸能分别为纯半球夹芯板的85%和63%,相较于铝板,聚氨酯-半球夹芯结构在保证能量吸收效率的同时能有效减少靶板速度和应力集中。

高性能复合纤维的防刺机理

近年来持刀袭警、袭医事件屡有发生,防刺服作为保障生命的最后一道防线至关重要。目前防刺服主要由高性能复合纤维制成,虽通过了标准穿刺测试,但其防刺机理尚不明晰。以3种典型防刺材料——浸胶芳纶布、无纬PE布和平纹芳纶布为研究对象,基于刚度、硬度、准静态穿刺和动态穿刺实验,研究相同面密度下3种材料的防刺机理。研究结果表明:防刺材料的硬度和弯曲刚度越大,准静态刺破力和动态刺破力越大,抵抗变形和刀具刺透的能力越强,防刺性能越好;刀具动能大部分转换为防刺服和背衬材料的动能和变形能,材料破坏吸能较少,研发防刺服的重点不在于吸能,而应增加其硬度及弯曲刚度。研究成果可为下一代轻质柔性防刺服的研发提供理论参考。