近年来,由于世界各地区冲突和战争不断,恐怖事件蔓延不止,因此防刺防弹及防爆等防护材料的开发和研究越来越受到重视。纺织结构复合材料具有优良的物理性能,其比强度、比模量均比金属材料高,其抗震性、减震性也大大超过金属材料,更重要的是它具有较好的吸能特性,且无“二次杀伤效应”。理论和实践都证明,它是一种防护性能优异的、理想的复合材料。纺织结构复合材料的性能不仅与材料本身有关,而且也与其结构密切相关。针织物因其独特的几何结构,具有较好的吸能和抗外力特性,目前广泛应用于各种复合材料以改善其力学性能。针织物的各种线圈结构形成了各种各样的网眼形状,如三角形、四边形、六边形、圆形等等。目前对于经编织物网眼几何结构特征的深入研究还很少。本文在前人研究的基础上,建立了一种经编织物的网眼拓扑结构,并分析了该拓扑结构的稳定性和节约性。为了进一步研究具有该拓扑结构的织物的防护性能,本文重点研究了具有四边形和六边形网眼的经编织物。根据四边形和六边形经编织物网眼的特点,我们引入了方格和Steiner最小树拓扑结构。由图论中的相关定义可知,Steiner最小树是连接给定n个点的最小网路。本文分别对具有方格和Steiner最小树拓扑结构的经编织物的最小单元进行几何推理分析,得到结论：当两种织物具有相同材料时,具有Steiner最小树拓扑结构的织物用料最省。为了对比四边形和六边形经编网眼织物的力学性能,本文分别对这两种织物的最小拓扑结构单元进行了力学分析,得到Steiner拓扑结构稳定性较好。即当两种织物受到相同外力作用时,具有Steiner拓扑结构的织物具有较好的抗外力特性,从而不易受到破坏。在对具有方格和Steiner最小树拓扑结构的经编织物进行上述静力学分析之后,本文分别对这两种织物系统地进行了纬向、经向、局部纬向、局部经向撕裂和顶破性能测试。撕裂测试结果表明撕裂方向和织物的局部破坏对具有Steiner最小树拓扑结构的织物撕裂性能的影响较小；相反,对具有方格拓扑结构的织物的撕裂性能影响较大。该测试结果从力学的角度验证了Steiner最小树拓扑结构稳定性较好,具有该拓扑结构的织物具有良好的力学性能。为了模拟织物的多向受力情况,本文对具有Steiner最小树拓扑结构的织物进行了顶破性能测试。该测试结果亦表明具有Steiner最小树拓扑结构的织物具有较好的抗顶破能力。另外在织物的撕裂和顶破试验过程中,发现了一个有趣的现象：在材料相同的条件下,随着Steiner最小树结构单元尺寸的减小,织物的力学性能逐步增强。由于试验的随机性和定量性,本文试图获得能够普遍描述具有Steiner最小树拓扑结构的织物稳定性的力学模型。采用量纲分析法,建立了具有Steiner最小树拓扑结构的经编织物撕裂和项破模型,并用实验数据确定了各指数的取值范围。撕裂模型可表示为△L=k·r·(π1)α(π2)β,其中△L为第一个Steiner最小树拓扑结构单元破坏时织物的伸长量,r为纱线半径,π1=d/r,π2=F/E·r2,d为网眼的内接圆直径,E纱线弹性模量,F织物撕裂强力。通过该模型,我们可以得到影响织物撕裂性能的两个主要参数：几何参数π1和力学参数π2。根据π1和π2及其各自指数α和β,我们可以判断织物的撕裂性能。在对具有Steiner最小树拓扑结构的织物进行纬向、经向、局部纬向和局部经向撕裂的量纲分析之后,我们发现,对于相同最小结构单元尺寸的织物而言,α纬与α纬局的值和α经与α经局的值相差很小,β纬与β纬局的值和β经与β经局的值也非常接近；对于不同最小结构单元尺寸的织物,其撕裂性能随着最小结构单元尺寸的增加而减小。因此撕裂特性(吸收的总能量)主要取决于织物的几何特性,与撕裂形式几乎无关,即织物的撕裂方向或局部破坏并不影响织物的整体性能。顶破强力模型可表示为F=k·Er2(△L/r)α(d/r)β,其中α和β分别为待定指数,d为网眼的内接圆直径,E纱线弹性模量,△L为织物的顶破伸长。根据具有Steiner最小树拓扑结构的织物的顶破试验数据得到,α=5.16,β=-1.02。即在材料相同的条件下,织物的顶破强力随着Steiner最小树拓扑结构的尺寸减小而增大。通过对具有Steiner最小树拓扑结构织物的撕裂和项破进行量纲分析,我们从理论的高度验证了Steiner最小树拓扑结构的稳定性。我们知道Steiner最小树是碳纳米管的几何基础,且碳纳米管结构非常稳定,具有良好的防弹防爆作用。然而由于碳纳米管纤维的制备比较困难,且价格昂贵,故碳纳米管用于防护纺织品不易普及。相对而言,经编织物价格极其低廉。根据本文的研究可知,Steiner最小树也是六边形网眼织物的几何基础。通过对具有Steiner最小树拓扑结构的经编织物的力学性能研究,得到将其用于防爆纺织品结构复合材料的增强相具有一定的可行性。本文在对防爆纺织品的防爆原理进行初步探索后,应用力学中的摩擦自锁原理和Steiner最小树拓扑结构的稳定性对防爆纺织品的微观结构进行优化设计,并提出了可旋转的Steiner最小树层次结构。由于具有Steiner最小树拓扑结构的织物的力学性能随着其结构单元尺寸的减小而增加。根据此特点,我们可以设计层次结构的和可旋转的具有Steiner最小树拓扑结构的防爆纺织品,最小层次可达到纳米或微米级。当纺织品被破坏时,纺织品的局部破坏并不影响整体的稳定性,理论上该纺织品有良好的自愈能力,因此具有优异的防刺防弹和防爆功能。本文的研究有助于理解经编织物的拓扑结构性能。同时,对于设计和制造具有Steiner最小树拓扑结构及其变形的织物,使其用于防护纺织品,尤其防爆服的生产,具有重大的理论价值和现实意义。