介绍
经编间隔织物（WKSF）是一种三维纺织结构材料，由两个表层和连接和支撑这两层的间隔纱组成。1 WKSF通常在双针床拉舍尔经编机上制造。独特的夹层结构为WKSF提供了优异的性能优势，包括高压缩性、透气性、抗冲击性、弹性恢复特性以及很强的可设计性。因此，WKSF广泛应用于服装和家用纺织品应用，例如鞋、护膝、头盔、床垫以及航空航天、军事、建筑和运输等行业。2 – 5 WKSF已受到广泛关注，并被广泛认为是各个领域最有前途的材料之一。

多项研究探讨了WKSF 的机械性能、6-8吸声性能、9-11渗透性、12-14和热性能15-17 。虽然现有研究主要集中在通过改变结构参数来研究WKSF的压缩行为， 18 – 22研究其抗冲击性和能量吸收能力至关重要，因为WKSF常被用作头盔、防护服、座垫等缓冲和防护材料。关于WKSF的抗冲击行为和能量吸收的研究较少。张等人。设计并制备了拉胀经编间隔织物，并研究了低速冲击下的抗冲击性和能量吸收能力。结果表明，较大的负泊松比会提高 WKSF 的能量吸收能力和抗冲击能力。23郭等人。等人对间隔织物的结构，即不同的表面组织、织物厚度和间隔纱直径对经编间隔织物的冲击性能和冲击后压缩性能的影响进行了实验研究。24刘等人。通过改变其结构参数制备了一系列经编间隔织物，并研究了经编间隔织物的冲击压缩性能。25 WKSF广泛用作个人防护服和设备再次冲击的缓冲材料，因此，Liu 等人。使用落锤冲击测试仪以半球形形式测试织物，以模拟现实生活中冲击保护器的使用。26 , 27

为了进一步提高WKSF的抗冲击性，研究人员传统上采用涂层处理或将WKSF制成复合材料。卢等人。通过实验和有限元分析方法研究了浸渍有剪切增稠液的经编间隔织物在低速冲击载荷下的冲击行为。28徐等人。制备了浸渍有剪切增稠液的拉胀经编间隔织物，并研究了它们在低速冲击载荷下的冲击行为。29智等人。研究了经编间隔织物增强复合泡沫塑料的低速冲击性能，并讨论了经编间隔织物和空心玻璃微球参数对复合材料冲击性能的影响。30 Ertekin 分析了涂层、织物层数和结构参数对防护服用经编间隔织物抗冲击性能的影响。结果表明，通过涂层可以显着提高经编间隔织物的抗冲击性能，减少约 10 kN 的峰值传递力。31然而，这些方法可能很复杂，并且会损害织物的柔软度和透气性，这限制了它们在防护服和其他领域的应用。通过适当的方法提高经编间隔织物的抗冲击性仍然存在挑战。

在自然界中，温和的蜘蛛网能够承受猎物的冲击，这引起了研究人员的兴趣。由于蜘蛛丝优异的机械性能和近乎完美的蜘蛛网几何形状，蜘蛛网具有显着的抗冲击性能。蜘蛛网由高强度、低变形的放射状丝和低强度、高变形的螺旋丝组成。蜘蛛网的规则结构可以实现有效的力分布和能量耗散，防止局部损坏并确保蜘蛛网的整体完整性。32 – 37

在此，我们提出了一种仿生策略来提高WKSF的抗冲击性。制备了经编网状间隔织物，其顶面和底面层具有不同的网状结构。进行了一系列落锤冲击试验，以了解表层结构如何影响其抗冲击性能和能量吸收性能。此外，通过重复冲击实验研究了损伤容限。受蜘蛛网拓扑结构的启发，使用高强度纱线将蜘蛛网形状的缝线缝制到WKSF上。随后，研究探讨了缝线形状对WKSF低速冲击行为的影响。

材料与实验
材料和标本
图1（a）和（b）所示的WKSF均是在GE296（RD6）E18型高速双针床六导栉经编机上编织而成，所用涤纶复丝为200D/64f。织物面层采用 GB1、GB2 为表层，如图1(c)所示，GB5、GB6 为底层，如图1(d)所示，采用直径 0.2 mm 的涤纶单丝作为间隔纱，通过GB3和GB4将两个外层连接在一起。WKSF的厚度为5mm，面密度为428.6g/m 2。WKSF的纬密经纱密度为7.2纵行/厘米，经纱密度为6.4横列/厘米。顶层结构为六角网，底层结构为双经编组织。详细制备参数如表1所示。使用江南大学开发的WKCAD软件对织物的3D模型进行模拟。

芳纶编织纱之所以被选为缝纫线，是因为芳纶纤维具有高性能的机械性能，广泛应用于耐冲击产品。38 – 40缝纫线由8股150D芳纶纤维编织而成，节距为3毫米。如图3(a)所示，芳纶编织线具有高拉伸强度和低变形。缝纫针法为双锁式线迹，如图2(b)所示。首先，在经编间隔织物上缝制垂直线，样品c1、c2、c3的缝距恒定，分别为30mm、20mm、10mm。然后，用芳纶编织纱缝制蜘蛛网形状，如图3(d)和(e)所示。样品“d”用于研究蜘蛛网状缝制图案的径向线数量对WKSF冲击性能的影响，而样品“e”用于研究蜘蛛网状缝制图案的螺旋线数量对WKSF冲击性能的影响。例如缝制图案对WKSF冲击性能的影响。蜘蛛网的尺寸为100毫米×100毫米。对于样品 d1、d2 和 d3，螺旋螺纹数量为 3，而径向螺纹数量为 4、6 和 8。对于样品 e1、e2、e3 和 e4，径向螺纹数量为 6，螺旋螺纹的数量分别为1、2、3、4。

低速冲击试验
所有测试样品均在恒温恒湿调节24 h后进行测试。样品放置条件为温度20±2℃、湿度65%±2%。根据ASTMD7136/7136M-16标准测试方法，使用落锤测试装置对WKSF进行低速冲击测试，如图3所示。测试仪的撞击头为半球形，质量为0.202 kg，直径为20 mm。锤头连接有压力传感器，可测量最大 10 kN 的载荷。总冲击重量为4.702 kg，从217.28 mm、325.92 mm、434.56 mm和543.20 mm的高度自由落下，对应冲击速度从1.77 m/s、2.25 m/s、2.67 m/s到3.08 m/s，冲击功从 10 J、15 J、20 J 到 25 J。在重复冲击试验中，以六角形网面作为冲击面，冲击功为 15 J。在对缝制织物进行研究时，双经编表面作为冲击表面，冲击能量为15 J。在测试过程中，每种织物测试了五个样本，所有呈现的力-时间冲击曲线，

损伤识别
使用光学显微镜（ DVM6 A，Leica Microsystems GmbH ）检查受损位置的表面形态。使用扫描电子显微镜（ SEM，HITACHI SU1510）在5.00 kV的加速电压下分析纤维的断裂和损伤。

显着性检验分析
通过对每个因变量使用单向方差分析（ ANOVA，SPASS ）来评估测试中蜘蛛网状缝线加固的WKSF的最大冲击力和能量吸收值。如果p值等于或小于 0.05，则每个因变量的任何差异都是显着的。

结果与讨论
表层结构对低速冲击性能的影响
进行落锤试验以研究表面层结构对WKSF低速冲击性能的影响。图4（a）-（c）分别显示了典型的冲击力-时间曲线、力-位移曲线和能量-时间曲线。可以看出，当采用六边形网状表层（顶层）作为冲击面时，随着初始冲击能量的增加，经编间隔织物表现出更大的最大力和更大的能量吸收。类似地，当使用双经编针织层（底层）作为冲击表面时，间隔织物的最大力和能量吸收随着施加的冲击能量而增加，如图4（d）-（f）所示。但需要注意的是，当初始冲击能量达到25 J时，样品发生破坏和击穿。随着初始冲击能量的增加，更多的冲击能量被传递到织物上，导致织物上的冲击力更强。织物的三明治结构和材料特性可以有效吸收和分散冲击能量。此外，图4(g)和(h)结果表明，在相同的初始冲击能量条件下，当使用六角网面层作为冲击面时，与使用双经编针织层作为冲击面相比，经编间隔织物表现出更高的最大力和优异的能量吸收。这种差异可归因于表层结构和间隔纱的排列。与双经编针迹相比，六角形网状结构提供了更大的弹性和灵活性。8 , 41 , 42当受到冲击时，网状结构会弯曲变形，从而缓冲和吸收一部分冲击能量。由于顶层和底层的结构不同，间隔纱的排列方式也不同。WKSF从双针床拉舍尔经编机上取下后，经过后处理，在顶层形成六边形网眼。两垂直纵行的连接部分拉紧，形成六角网的垂直边，而间隔的纱线倾斜且紧密相邻。如图4(i)所示，支撑六边形网的两个垂直边的间隔纱形成三角形，而双经编组织层中的间隔纱形成X形。这种三角形排列更加稳定，有助于更均匀地分布冲击力，减少局部应力集中，因此可以承受更大的力并吸收更多的能量。相比之下，双经编针织层中的间隔纱形成X形状，其可能无法提供与三角形布置相同水平的稳定性和力分布。X形结构在撞击下可能更容易移动或倒塌，从而限制了其有效吸收和耗散能量的能力。因此，表层结构对WKSFs的抗冲击性能有显着影响。对于同一类型的WKSF，用作冲击面的不同表层结构也会导致不同的抗冲击行为。六边形网状结构与三角形间隔纱排列提供了增强的弹性、稳定性和力分布，使其比双经编针织物更有效地吸收和消散冲击能量。

WKSF 的冲击耐受性
当采用六角网面层作为冲击面时，织物具有更好的能量吸收性能，因此以六角网面作为冲击面，对同一织物进行重复冲击试验，评价其耐冲击性能。如图5(a)~(c)所示，随着冲击次数的增加，织物变形逐渐增大，最大冲击力增大，能量吸收先增大后减小。这是因为织物在第二次冲击时变形更大，可以吸收更多的能量。43 , 44然而，在第三次冲击过程中，织物的能量吸收下降，这是因为反复的冲击会导致织物结构严重破坏，降低其吸收能量的能力。此外，多次撞击造成的损坏累积可能会导致结构完整性丧失和能量吸收能力下降。当织物受到第四次冲击时，锤子穿透织物，导致织物完全损坏。从图 5(d)–(g)，可以观察到，在第一次撞击过程中，撞击点附近出现了轻微的变形。第二次撞击时变形增加，导致撞击点附近的网格形状扭曲。第三次冲击时，冲击点发生局部损伤，表层细丝断裂。最后，当织物受到第四次冲击时，已经达到了无法再承受冲击力的程度，织物发生了彻底的破坏和渗透。如图5(g)所示冲击点附近的表层复丝无法承受冲击力而断裂，间隔纱部分被拉出并断裂。在反复冲击过程中，间隔纱经历多次冲击和反弹，积累塑性变形。冲击点附近间隔纱的弯曲程度增大，受损间隔纱的承载能力下降。越来越多的冲击载荷由表层承受，而间隔纱主要起到表层的锚固作用。

缝线形状对 WKSF 低速冲击行为的影响
将不同形状的缝线缝在WKSF上，以研究缝线形状对低速冲击行为的影响。将具有30mm、20mm和10mm距离的垂直接缝的WKSF分别命名为样品c1/c2/c3，如图2(c)所示。无接缝的WKSF用作对照样品，底层（双经编针织物）用作冲击表面。图 6(a)–(d)的结果结果表明，样品c3的最大冲击力和吸收能量最高，分别比对照样品高29.7%和19.1%，其次是样品c2和c1。结果表明，随着缝纫线间距的减小，织物的最大冲击力和能量吸收增加，表明织物的抗冲击性能更好。

受蜘蛛网几何结构的启发，不同类型的蜘蛛网形状被缝在 WKSF上。样品 d1、d2 和 d3 的螺旋螺纹数分别为 3，径向螺纹数分别为 4、6 和 8。如图6(e)–(g)所示，单位面积径向线数量的增加导致织物的最大力更高、能量吸收更大、抗冲击性能提高。与对照样品相比，样品d1、d2和d3表现出最大冲击力的显着增加。具体而言，d1、d2 和 d3 的最大冲击力分别增加了 27.3%、52.3% 和 60.2%。此外，与对照样品相比，样品d1、d2和d3的吸收能分别增加了10.3%、17.1%和20.6%。样品 e1、e2 和 e3 的径向螺纹数分别为 6，螺旋螺纹数分别为 1/2/3/4。从图6(h)-(k)观察每单位面积的螺旋线数量较多，导致最大冲击力增加，增强能量吸收，并提高织物的抗冲击性能。当将样品 e1、e2、e3 和 e4 的最大冲击力与对照样品进行比较时，观察到显着的增加。样品e1显示出16.1％的增加，样品e2显示出28.6％的增加，样品e3显示出50.5％的增加，并且样品d3显示出最高的增加64.2％。同样，就吸收能量而言，样品 d1、d2 和 d3 与对照样品相比显示出显着改善。样品 e1 增加了 6.8%，样品 e2 增加了 13.2%，e3 增加了 17.1%，样品 e4 显示了最高记录增加 22.4%。

上述样品的抗冲击性能优于对照样品。因此，这种基于蜘蛛网几何结构的缝制方法在提高织物的抗冲击性能方面表现出了巨大的潜力。表2显着性检验结果表明，垂直接缝间距、螺旋螺纹数量和径向螺纹数量对最大冲击力和吸收能量的影响均显着。

值得注意的是，随着单位面积内螺旋线和径向线数量的增加，能量吸收的增长率下降，织物挺度显着增加，导致柔韧性和弯曲性能下降。这是因为螺旋线和径向线的增加导致织物的结合更加紧密。更多的线意味着织物内有更多的交叉点和连接点，这使得其结构更加坚固。然而，这也限制了织物的弯曲和变形能力。
经编间隔织物由两层面层和间隔纱组成，如图7所示。表层由环构成，环之间具有较大的间隙。当受到冲击时，线圈容易变形和延伸，导致织物发生明显变形。受到冲击后，冲击力会沿着环路传递，环路的分层使得力传递的路径更长。当施加外力时，由于环路之间存在一定的间隙或连续性，力需要沿着环路之间的路径逐层传递。与直接的力传递路径相比，环形结构的力传递路径更加曲折，导致力传递的速度较慢。其次，环路之间存在一定程度的压缩和错位。这种压缩和错位会导致力的分散和耗散，进一步降低了力传递的效率。此外，环路变形和位移会引起力传递路径的变化和扭曲，从而降低力传递的速度。

与经编间隔织物材料相比，芳纶编织纱具有卓越的强度和出色的抗冲击性。高强度纱线在受到冲击时断裂的可能性降低，从而保持织物的完整性并防止其撕裂或刺穿。此外，用这些高强度纱线缝制织物可以增强其结构稳定性，从而提高耐用性和弹性。45 , 46此外，当经编间隔织物受到冲击时，缝线会形成力传递和能量耗散的通道。这使得力能够快速从冲击点转移，从而产生更大的能量耗散。蜘蛛网中螺旋线和放射线形成的交织结构进一步增强了力的传递路径，导致力的分散和消散增加。47 , 48总的来说，这些因素增强了缝编增强经编间隔织物的整体抗冲击性能。

结论
本文进行了一系列落锤冲击试验，研究表层结构对经编间隔织物冲击性能的影响。通过反复冲击试验还讨论了经编间隔织物的损伤容限。提出了一种改善低速冲击性能的缝制方法，并制备并研究了蜘蛛网状缝线增强的经编间隔织物。根据实验结果和分析，可以得出以下结论。

(1)表层结构对织物的抗冲击性能有显着影响。与以双经编组织作为冲击面的织物相比，以六角形网眼作为冲击面的经编间隔织物表现出优异的抗冲击性。
(2)随着冲击次数的增加，织物的能量吸收先增加后减少。织物的变形逐渐变得严重，直到第四次冲击时，织物被击穿。
(3)在经编间隔织物上缝制高强线，可以提高织物的抗冲击性能。在一定范围内，垂直线间距越小，抗冲击性能越好。当螺旋线数量一定时，蜘蛛网的放射线越多，其最大受力和吸收的能量就越大。当径向线的数量一定时，蜘蛛网上的螺旋线越多，最大的力和能量吸收就越大。
这项研究的结果有助于提高经编间隔织物的抗冲击性，并拓宽其在防护、缓冲等领域的应用。但未来仍需要进行一些研究，如缝补织物的有限元分析、这种缝制方法对织物结构的适用性等。