具有负泊松比效应经编织物的制备及其力学性能

常玉萍， 程锡慧， 马丕波， 蒋高明

(江南大学 教育部针织技术工程研究中心， 江苏 无锡 214122)



具有负泊松比效应经编织物的制备及其力学性能

常玉萍， 程锡慧， 马丕波， 蒋高明

(江南大学 教育部针织技术工程研究中心， 江苏 无锡 214122)

负泊松比效应材料结构具有优良与独特的力学性能，而针织结构是制备负泊松比效应材料的最佳结构之一，为此，对经编机上生产负泊松比效应织物的组织结构和力学性能进行了研究。首先，对负泊松比效应织物的结构进行设计，确定其编织工艺，并在KS4特里科经编机上进行上机编织操作；然后，对织物分别从0°、45°、90°和135°方向进行拉伸性能试验，通过绘制不同方向的应力与应变曲线及泊松比与应变曲线研究其力学性能，同时分析了几种织物不同方向上拉伸的最终破坏形态。结果表明，不同织物在不同方向上存在力学性能差异。

负泊松比效应； 经编织物； 拉伸； 力学性能

通常大多数材料的泊松比值都为正，约为1/3，而橡胶类材料为1/2，即这些材料在拉伸时横向发生收缩。而负泊松比效应(NPR)，是指受拉伸时材料在弹性范围内横向膨胀，受压缩时横向反而发生收缩。这种现象在热力学上是可能的，但通常材料中并没有普遍观察到负泊松比效应的存在。近年来发现的一些特殊结构的材料具有负泊松比效应，由于其独特的性能而倍受材料科学家和物理学家们的重视[1-2]。

Lakes[3]通过三维压缩后、加热、冷却和松弛处理得到具有呈内凹( re-entrant ) 结构的泡孔单元，首次制备出具有特殊微观结构的负泊松比材料，并测得其泊松比值为-0.7。Evans等[4]在研究具有微孔( microporous) 结构的聚四氟乙烯(PTFE)性能时，也发现了负泊松比效应的存在。近年来，利用纺织技术开发NPR材料逐渐引起高度重视。Alderson等[5]利用聚合物单丝连续局部熔融挤出的过程制得NPR聚丙烯、聚酯和尼龙单丝，其直径在0.14～1.00 mm的范围内。Miller等[6]采用NPR纱线编织生产具有拉胀结构的织物。Samuel等[7]利用一种内凹网格生产具有NPR效应的经编织物。最近，依据不同的几何结构，例如可折叠的结构，可转动的矩形和折叠六边形等一系列拉胀针织物已经由Hu等[8]人生产出来。

目前，设计生产负泊松比材料有2种方法。第1种方法是将具有增大效果即具有负泊松比效应的纱线编织成织物。Hook[9]设计出一种复合螺旋结构织物，由高刚度丝与低刚度丝组成。受到拉伸时高刚度丝保持相对稳定，增大不明显，而低刚度丝则围绕高刚度丝螺旋增大，从而呈现负泊松比效应。另一种方法是使用传统纤维编织成具有增大效果的织物结构。Ugbolue等[10-11]采用聚酯和聚芳酰胺纱线织造出一种增大织物，使用厚度较大、刚度较小的丝编织纵向开口线圈，同时将具有高刚度的丝镶嵌在芳纶线圈的周围并作为表面线圈。

本文在Alderson等[12]设计的负泊松比特性的经编织物工艺基础上进行深入研究，该工艺设计的几种织物结构简单，在经编机上比较容易织造出来，便于推广。通过对织造出来的织物进行拉伸试验发现，这种织物具有明显的负泊松比效果，从而使该种织物具有很好的产业化前景。

1 试验部分

1.1 织物结构设计

本文试验中，一共设计了3种不同结构的经编织物，以比较衬纬、经平、编链3种组织对织物负泊松比效果的影响。其中每块织物都采用4把梳栉，且采用同样的穿纱对纱，不同的是织物2#在织物1#的基础上改变了第4把梳栉的垫纱数码，而织物3#在织物1#的基础上改变了第2把梳栉的垫纱数码，其织物详细结构设计分别见表1。图1为3块织物的仿真结构图。

表1 织物结构设计Tab.1 Fabrics structure design

图1 织物仿真结构图Fig.1 Simulation structure of fabrics.(a) Fabric 1#; (b) Fabric 2#; (c) Fabric 3#

1.2 织物织造和样品准备

选用的试验设备为KS4-6型经编机(德国Karl Mayer公司生产)，织物的结构设计完毕后在该经编机上织出样布，然后在3块样布上从4个不同的方向(0°、45°、90°、135°)上依次剪取5块试验样布。图2为样布的尺寸图与实物图。

1.3 试验仪器及方法

仪器：HD026H电子织物强力仪，高速keyence 摄像机，钢刻度尺以及剪刀等工具。

电子织物强力仪主要用来拉伸织物，记录数据，而高速摄像机则用来记录织物在拉伸过程中的形变，钢刻度尺用来计算泊松比。

试验步骤：将织物试样固定在HD026H电子织物强力仪上，织物两端涂以树脂以防止织物从两段夹头处断裂。在开始进行测试的时候用高速摄像机进行拍摄，数据由织物强力仪自动记录，并在电子织物强力仪上固定一把钢尺，以便通过尺上的刻度计算出泊松比。

2 试验结果与分析

2.1 泊松比与应变曲线

在拉伸试验中，HD026H电子织物强力仪自动保存纵向伸长数据，但无法记录横向伸长，所以本文试验关键在于记录横向伸长。本文试验中将一钢尺固定在织物强力仪上，在拉伸的过程中用高速摄像机拍摄伸长过程，然后在摄像中通过钢尺的刻度记下织物横向连续变化情况，最后算出泊松比，得出泊松比与应变曲线。3种织物的最大泊松比值如表2所示。图3示出织物1#、2#、3#各个方向上的泊松比与应变曲线。

表2 3种织物的最大负泊松比值Tab.2 Maximum NPR of three kinds of fabrics

由表2可得，3块织物都在90°方向上具有最大的负泊松比，在0o方向上具有最小的负泊松比，45°和135°方向二者相近，介于0°和90°之间。这说明织物结构与受力方向对其负泊松比效应有明显影响。比较3块织物可发现，织物2#具有较大的负泊松比，织物1#较小，而织物3#介于二者之间。其理论分析如下：

1)因为织物各方向的纱线排列不同，可知织物的负泊松比效应受组织结构与受力方向影响较大，具有各向异性。

图3 织物沿不同拉伸方向的泊松比与应变曲线Fig.3 Poisson′s ratio-strain curve of fabrics along different tensile directions.(a) Fabric 1#; (b) Fabric 2#; (c) Fabric 3#

2)同一个方向拉伸时，衬纬纱、经平与编链在纵向伸长的同时，横向也逐渐伸长，而衬纬纱的横向伸长在同一情况下伸长最大，经平次之，编链最小。所以，结合织物的结构设计可得出，织物2#具有最大的负泊松比效应，织物1#的负泊松比效应最小。

3)同一织物不同方向拉伸时，当沿90°方向拉伸时，衬纬纱的横向伸长达到最大值，沿0°方向拉伸时，衬纬纱横向伸长量很小，而沿45°或135°方向拉伸时，衬纬纱横向伸长量介于90°与0°之间。所以，织物沿90°方向拉伸会有最大的负泊松比值，而沿0°方向拉伸负泊松比值最小。

4)在4个方向上随着拉伸应变的增加，泊松比从负值逐渐增加到正值，拉胀效应逐渐减小。这意味着当在一个方向上的拉伸应变超过某一临界值时，织物变得不可拉胀。

2.2 应力与应变曲线

图4示出织物沿不同拉伸方向时应力与应变曲线。由图4可得出，3块织物的应力与应变曲线基本上都随着应变的增大，每个方向上的应力都呈现先逐渐增大后迅速减小的趋势，且沿90°方向拉伸时，应力与应变曲线上升迅速，而沿0°方向拉伸时应力与应变曲线上升较缓慢，45°与135°方向介于二者之间。

图4 织物沿不同拉伸方向的应力与应变曲线Fig.4 Stress-strain curve of fabrics along different tensile directions.(a) Fabric 1#; (b) Fabric 2#; (c) Fabric 3#

结合织物的结构特征，分析图4可知：

1)在0°负泊松比经编织物的拉伸初始阶段，表现很好的线性增长，这一阶段是屈曲的衬纬纱逐渐被拉直，纬纱都被拉直后，纬纱开始伸长，直至最大负荷都表现出很好的线性。在最大负荷附近区域，曲线骤然下降至预加张力值，说明纬纱同时断裂，而不是逐渐被拉断。

2)在90°负泊松比经编织物的拉伸初始阶段，表现很好的线性增长，这一阶段是编链、经平纱逐渐被拉直，经向纱线都被拉直后，开始伸长，直至最大负荷都表现出很好的线性。在最大负荷附近区域，曲线逐渐下降至预加张力值，说明经向纱线逐渐断裂，而不是同时被拉断。

3)在45°、135°负泊松比织物的拉伸初始阶段，同样表现出很好的线性增长，这一阶段是屈曲的纱线逐渐被拉直，直至最大负荷都表现出很好的线性。在最大负荷附近区域，曲线有细小的锯齿形，说明纱线不是同时断裂，而是逐渐被拉断。

2.3 织物最终破坏形态

图5～7分别示出织物1#～3#沿不同拉伸方向的最终破坏形态。

图5 织物1#沿不同拉伸方向的最终破坏形态Fig.5 Eventually destroy of fabric 1# along different tensile directions

图6 织物2#沿不同拉伸方向的最终破坏形态Fig.6 Eventually destroy of fabric 2# along different tensile directions

图7 织物3#沿不同拉伸方向的最终破坏形态Fig.7 Eventually destroy of fabric 3# along different tensile directions

由图5～7可发现，3块织物各方向的最终破坏形态有共性。每块织物的0°与90°方向在拉伸很长以后才出现断裂甚至不断裂，且断裂是从横向方向断裂的；而45°和135°方向在拉伸不久后便全部断裂了，且断裂方向沿着对角线方向。

结合织物的结构可分析：沿着0°拉伸时，屈曲的衬纬纱逐渐被拉直，纬纱伸直后开始缓慢伸长，直至被同时拉断，此时间较长；沿着90°拉伸时，经向纱线在逐渐被拉直后开始伸长，直至被逐渐拉断，此时间也较长；沿着45°或135°拉伸时，屈曲的纱线在短暂的伸直后开始伸长，但伸长不久后被逐渐拉断，此时间较短。

可得出，织物的拉伸强度具有各向异性，90°方向在具有最好的负泊松比效应的同时也具有最大的拉伸强度。

3 结 论

负泊松比经编织物作为一种新型功能纺织材料，凭借其独特拉胀性能，将会从一定程度上促进负泊松比材料结构的发展。本文以常见的丙纶和涤纶为原料，进行负泊松比经编结构的研究，从原料的选取、织物组织结构设计、上机参数设定、织物性能测试、数据分析等几方面进行，得出以下结论：

1)采用编链、经平与衬纬等基本组织可实现具有较好负泊松比效应织物的制备。

2)织物的负泊松比效应具有各向异性，在90°方向上具有最佳的负泊松比效应，而在0°方向上最差。

3)织物的断裂强度具有各向异性，在90°方向上的断裂强度最大，0°方向较大，45°或135°方向上的断裂强度最小。

4)同种原料不同的结构设计的织物具有不同的负泊松比效应。本文试验设计的织物2#的负泊松比效应较织物1#、织物3#明显。

5)经过对负泊松比经编织物的拉伸断裂性能测试发现，负泊松比经编织物的性能比普通织物有一定的优越性，可用于防刺服、医用绷带等领域。

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Manufacture and mechanical properties of negative Poisson′s ratio warp knitted fabrics

CHANG Yuping, CHENG Xihui, MA Pibo, JIANG Gaoming

(EngineeringResearchCenterofKnittingTechnology,MinistryofEducation,JiangnanUniversity,Wuxi,Jiangsu214122,China)

Negative Poisson′s ratio (NPR) materials have excellent and unique mechanical properties. Knitting structure is one of the best structures to make the NPR materials. In this paper, the structures and mechanical properties of NPR fabrics produced in warp knitting machines were studied. First of all, the structure of NPR fabric was designed, their weaving processes were determined, and knitting is performed on a KS4 Tricot knitting machine. Then, the tensile properties testing of fabrics were performed in the directions of 0°, 45°, 90° and 135°, and by stretching a stress-strain curve in different directions and a Poisson's ratio-strain curve, the mechanical properties of the fabrics were studied, and the final destruction morphologies of several kinds of fabrics stretched in different directions were analyzed, and the results show that differences in mechanical properties exist between different fabrics and in directions.

negative Poisson's ratio effect; warp knitted fabric; stretching; mechanical property

10.13475/j.fzxb.20140703606

2014-07-16

2015-04-23

国家自然科学基金项目(11302085, 51403080)；江苏省产学研项目(BY2014023-34)

常玉萍(1993—)，女，硕士生。主要研究方向为产业用针织结构与性能。马丕波，通信作者，E-mail: mapibo@jiangnan.edu.cn。

TS 184.3

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