Волокна, нитки і тканини. метрологія волокнистих матеріалів.
Як правило, текстильна броня складається з великої кількості шарів тканини, яка виготовляється на ткацьких верстатах з ниток. Нитки (комплексні нитки) складаються з окремих волокон, з'єднаних між собою хімічно - склеюванням або механічно - скручуванням. Фіксація волокон відносно один одного при скручуванні відбувається за рахунок сил тертя між волокнами. Міцність механічного з'єднання волокон в нитку визначається круткой - числом кручений на одиницю довжини або кутом кручення, що вимірюється між волокном і віссю нитки. При збільшенні крутки зростає поверхню контакту між окремими волокнами і, отже, зростає міцність нитки. Однак ця тенденція зберігається лише до певної межі.
Волокна і нитки відносять до одновимірних матеріалами, оскільки один з них розмірів багато більше двох інших. Виходячи із специфічної геометрії волокон і ниток, текстильна промисловість створила і своєрідну систему заходів, що відноситься до товщини волокон і ниток. Скрізь нижче, кажучи про нитках або волокнах, будемо вживати термін нитку, якщо це не спотворює сенс сказаного.
Метричний номер волокна або нитки NM вимірюється числом метрів, що полягають в одному грамі нитки. Більш досконала міра - товщина нитки, прийнята в більшості країн, це «текс», відповідний масі в грамах 1000 м нитки (1 текс = 1 г / км = 1 мг / м). У зарубіжній літературі знаходить вживання одиниця міри товщини ниток «денье» - маса в грамах 9000 м нитки. Переклад з однієї заходи товщини (або як прийнято в текстильній промисловості «лінійної щільності») в іншу проводиться таким чином: 1 текс = 9 денье, 1 деньє = 1,11 децитекс (дтекс), метричний номер NM = 1000 / текс.
Щоб визначити умовний діаметр нитки dycn (умовний, оскільки поперечний переріз нитки рідко буває круглим), необхідно знати щільність полімеру рм. з якого складається нитка. Формула для перерахунку товщини в текс в умовний діаметр в міліметрах має вигляд [2.2].
Міцність волокон і нітеі зазвичай визначається в змішаній системі одиниць - в сантіньютонах на текс (сН / текс) або в граммсілах на текс (гс / текс). Формули для перекладу розмірностей міцності зі змішаної системи одиниць в СІ мають вигляд:
Важливою особливістю волокон є їх висока стійкість до вигину, тобто здатність витримувати без руйнування дуже різкі перегини. Це властивість грунтується на тому, що завдяки малим поперечним перетинах волокон (10. 50 мкм) напруги, що виникають в периферійних областях волокна при вигинах, не досягають граничних значень, що відповідають показниками міцності. Це відрізняє волокна від об'ємних полімерних матеріалів, що мають великі поперечні розміри (> 1 мм).
Формули для визначення деформації і напруги, що виникають в пружному волокні при вигині, мають вигляд
Оцінимо напруги і деформації, що виникають в волокнах діаметром d = 0,03 мм і 1 мм при їх вигині з радіусом кривизни R = 5 мм. Вважаючи Е = 100 ГПа, отримаємо: в тонкому волокні e = 0.3%, δ = 0,3 ГПа; в товстому e = 10%, δ = 10 ГПа. Порівнюючи обчислені значення деформацій і напружень з граничними (табл. 2.1) бачимо, що при вигині тонкого волокна граничні значення не досягнуто, а товсте волокно при тих же умовах навантаження буде зруйновано.
У міру зменшення радіуса вигину напруги різко зростають, в результаті чого волокна не витримують малих радіусів вигину. Наприклад, при затягуванні вузла волокна можуть крихко руйнуватися. У зв'язку з цим в практиці фізико-механічних випробувань волокон для характеристики їх стійкості до вигину визначають міцність на розтягнення в вузлі або петлі. Стійкість до вигину характеризується при цьому втратою міцності при розтягуванні в порівнянні з випробуванням без перегину.
Висока стійкість досить товстих комплексних ниток до вигину обумовлена тим, що вони складаються з великої кількості (до 750. 1000) моноволокон (філаментів) малого діаметра. Характерні діаметри моноволокон балістичних тканин складають: СВМ - 15 мкм; Русар - 10 мкм; Тварон-Мікрофіламентів, Кевлар-мікрофіламент- 9 мкм.
Нитки надходять в ткацьке виробництво для переробки в тканини. Для виробництва тканин, що застосовуються в СІБ, використовуються нитки з лінійною щільністю 29,4; 58,8 і 100 текс. Тканина виходить в результаті переплетення двох систем ниток, розташованих відносно один одного в двох взаємно напрямках. Система ниток, що йде уздовж тканини, називається основою, система, перпендикулярна основі, називається утком. За типом переплетення ниток основи і качка тканини поділяються на тканини полотняного, саржевого і атласного (сатинового) переплетень.
Найщільніший тип переплетення - полотняний, в якому кожна нитка основи і качка проходять по черзі зверху і знизу перетинають ниток. Такі тканини мають максимальну щільністю і міцним закріпленням ниток. Серед інших типів переплетення у полотняних тканин зусилля витягування (просмикування) ниток максимально. З подальшого стане ясно, що ця обставина може негативно позначатися на балістичної стійкості тканин полотняного переплетення.
При саржевого переплетення на лицьовій стороні тканини переважають нитки одного напрямку. Саржеве переплетення позначають дробом, в якій в чисельнику стоїть число перекриттів основи, а в знаменнику - число перекриттів качка з боку лицьової поверхні. Саржа 1/2, 1/3, 1/4 називається уточнив, так як на лицьовому боці переважають уточниє перекриття, а саржа 2/1, 3/1, 4/1 - основний, так як на лицьовій стороні тканини переважають нитки основи. Характерною особливістю тканин саржевого переплетення є наявність на поверхні помітних діагональних смуг. Щільність саржеві тканин менше, ніж полотняних, нитки володіють більш високою рухливістю, зусилля їх витягування помітно менше в порівнянні з полотняними.
Для виготовлення текстильних бронепакетов, відповідних першому і другому класах стійкості по ГОСТ Р 50744-95, використовуються тканини як полотняного (наприклад, тканини ТСВМ-ДЖ, артикул 8601) так і саржевого переплетень (ТСВМ-ДЖ, артикул 56319) [2.3].
У атласних і сатинових переплетеннях зазвичай на лицьовій поверхні тканин не менше 5 ниток одного напрямку доводиться на 1 або більше ниток іншого. Такі тканини мають гладку блискучу поверхню. Їх особливістю є відносно слабке закріплення ниток в тканині, через що нитки легко витягуються з тканини і обсипаються по відрізаному краю.
Балістична стійкість тканин залежить від ступеня заповнення її нитками, яка визначається числом ниток основи П0 і качка Пу на умовній довжині тканини, яка дорівнює 10 см. Важливу роль грає поверхнева щільність тканини тт - маса шматка тканини одиничної площі. При визначенні поверхневої густини mт розрахунковим шляхом використовують стандартні характеристики: щільності заповнення тканини по основі П0 і качку Пу. лінійні щільності ниток по основі р0 і качку ру. З урахуванням вигину ниток при їх переплетенні для розрахунку можна записати наступне співвідношення [2.4]
Міцність тканини на розрив Рр визначають зазвичай шляхом розтягування смужки тканини шириною b = 25 мм (іноді 50 мм), вирізаної з тканини в напрямку основи або качка. Для порівняння міцності тканин, що мають різні поверхневі щільності, вводять питому навантаження на розрив Руа - Рр / (bтТ). Розрахункову навантаження на розрив, що припадає на
одну нитку в розтягується смужці, визначають за допомогою співвідношення Ррасч = Рр / (bп), де П = П 0 або Пу в залежності від того,
в якому напрямку (основі або качку) вирізана смужка тканини.
Питома робота розриву (робота на одиницю довжини) зразка тканини AР визначається шляхом інтегрування діаграми деформування Р = Р (e)
Якщо залежність Р (ε) може бути представлена у вигляді статечної функції Р = αε ", то для av маємо наступне співвідношення
Подовження при розтягуванні тканини відбувається за кілька стадій. На початковій стадії деформування відбувається розпрямлення ниток тканини, розташованих в напрямку навантаження; розтягнення ниток, пов'язане зі зменшенням кутів нахилу волокон спіральної крутки, розпрямлення і ковзання волокон. На кінцевій стадії деформування відбувається власне розтягнення волокон. Оскільки в тканинах полотняного переплетення нитки відчувають найбільшу кількість перегинів, то при розтягуванні тканини полотняного переплетення мають найбільшу подовження при інших рівних умовах. Однак зі збільшенням щільності подовження тканини зростає до певної межі, після якого зв'язаність ниток стає настільки великою, що здатність до розтягування зменшується. Дана обставина необхідно мати на увазі при розробці м'яких захисних структур СІБ.
З позицій механіки деформівних тіл тканину є орто- тропний матеріалом. Полярна діаграма залежності розривного навантаження і деформації при розтягуванні її в різних напрямках приведена на рис. 2.1 [2.4]. При додатку зусиль розтягування під кутом до ниток основи і качка міцність тканини виявляється менше, ніж при застосуванні навантаження в поздовжньому і поперечному напрямках. Деформації подовження, навпаки, значно зростають при проміжних напрямках прикладання навантаження.
Основні характеристики деяких балістичних тканин наведені в табл. 2.2. [2.6]
