近年来,随着城市化进程和工业发展,高空抛物及动能碎片的溅落成为可能会危害他人的顽疾;交通事故产生的碰撞、工程实施过程中的机械撞击以及生产加工流程中动能碎片的飞溅,诸如此类的现象轻则产生非贯穿性损伤,重则伤筋断骨,严重时甚至会夺取人的生命。因而,对于人类的安全防护即个体防护装备提出了越来越高的要求。一般防护装备使用传统的单一材料已经不能满足要求,材料的复合化是当前材料发展的显著趋势。其中,材料的复合化有两种含义,一为复合材料,其设计依据的是叠加效应,通过不同材料性能的叠加或互相补充,使原组分材料优势互补,使复合后的材料获得一种独特且比各组分材料更好的性能;二为组合材料,即将各组分进行单独处理后再进行组合,针对不同的单一材料发挥其最大优势再整体组合在一起。对于纺织复合材料在防护领域已有研究较多,本课题研究重点在防护低速冲击的纺织组合材料的开发与研究。防护材料中各组分对于冲击载荷能量的扩散、缓冲和消耗是研究防护低速冲击的组合材料的重点。具有速度和质量的冲击物对另一物体的冲击与碰撞,从物理意义上来说,是动能转换成其他能量(如热能、弹性势能等)的过程。本课题的研究主线是在刚性冲击下,首先利用高性能纤维材料对冲击能量进行有效扩散与平面传递,扩大冲击载荷作用面积,降低冲击力的峰值;通过三维间隔织物对冲击能量进行缓冲,使得冲击能量大幅降低;最终综合考虑材料的粘弹性与隔断冲击性能的关系,进一步研究作为缓冲层的纺织材料对防护结构整体的作用,从而将高性能纤维的单向布和机织布与经编间隔织物等进行有效组合,降低冲击峰值的同时,尽可能缩短加速度峰值维持时间,从而指导寻求最佳低速冲击防护组合材料的设计依据。本课题主要研究内容有以下几个方面:(1)以玻璃纤维环氧树脂板和有机玻璃板设计并制作可测试冲击应力波传递的各向同性和各向异性两大类材料的应力波传递特性测试平台,研究应力波传递特性,探讨相同厚度条件下玻璃纤维环氧树脂叠层板与环氧树脂厚板中应力波传递时间及应力波传递率,分析其差异的原因。通过对实验结果的分析发现,含玻璃纤维的各向异性材料应力波传递的速度高于各向同性材料,纤维材料的存在有利于应力波的横向传递和扩散。叠层板中空气层界面的形成有利于应力波纵向传递过程中的衰减。(2)基于已有的针对单一纺织材料冲击响应性能研究及经编间隔织物的粘弹性与冲击性能关系的研究所得理论,通过正交试验设计不同纺织结构及其铺层方式和经编间隔织物进行组合,探讨高性能纤维织物(无纬布、机织布等)与经编间隔织物组合材料的抗冲击防护效果,结合材料应力波传递特性和经编间隔织物的压缩性能及粘弹性阻尼特性,尽可能扩大冲击作用面积、降低冲击力峰值,缩短冲击加速度峰值维持时间,确保纺织材料的组合形式对冲击能量有效耗散。通过实验数据分析,明确了在抗冲击过程中纺织组合材料中各因素影响程度依次为:组织结构>层数>经编间隔织物。在本实验条件范围内,最佳抗冲击纺织材料组合方式为:四层超高分子量聚乙烯无纬布与粘弹比为3.65的经编间隔织物的组合。(3)为了对低质量但具有动能的碎片等对人身和设备伤害程度进行定性、定量评估,设计并研制了冲击速度可达100m/s的测试装置,构建对动能碎片冲击测试环境。通过控制压缩空气压力产生不同冲击速度,得出冲击速度与冲击力峰值的函数表达式。利用动能碎片冲击测试装置对纺织组合材料进行53m/s左右冲击试验,采用25层超高分子量聚乙烯无纬布与粘弹比为3.82的六角网孔厚度为10.5mm的经编间隔织物抗冲击性能较好,具有较小的冲击加速度峰值维持时间和剩余冲击力;验证了在较低速冲击环境下已提出的纺织组合材料搭配机理的可行性及评价指标的有效性。