負(fù)泊松比針織結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用

馬丕波+常玉萍+蔣高明

摘要：本文對(duì)各個(gè)負(fù)泊松比材料的作用原理進(jìn)行概括和總結(jié)，并簡(jiǎn)要介紹了目前用針織技術(shù)實(shí)現(xiàn)負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的方案，包括平面經(jīng)編織物、三維間隔織物、緯編折疊結(jié)構(gòu)織物等。最后對(duì)負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)針織物在服用和產(chǎn)業(yè)用方面廣泛的潛在應(yīng)用分別進(jìn)行了介紹，并展望了負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)針織物在以后研究中的發(fā)展方向及前景。

關(guān)鍵詞：負(fù)泊松比；結(jié)構(gòu)；針織技術(shù)；應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào)：TS184

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Knitted Structures with Negative Poissons Ratio

Abstract： Different geometrical models of auxetic materials were summarized and currently available knitting technologies for making fabrics with auxetic effect including plane and 3D warp-knitted fabrics， as well as weft-knitted fabrics with folded structures， were introduced briefly in this essay. Lastly， potential applications of fabrics with auxetic knitted structures in apparel and technical textiles were introduced respectively. Developing directions and prospects of such fabrics in future researches were predicted.

Key words： negative Poissons ratio； structure； knitting technology； application

1 負(fù)泊松比針織結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀

1.1 經(jīng)編結(jié)構(gòu)

1.1.1 二維經(jīng)編結(jié)構(gòu)

基于螺旋形紗線(xiàn)結(jié)構(gòu)的作用原理，研究出了由編鏈縱行和襯緯紗組成的經(jīng)編針織結(jié)構(gòu)，縱行是用較粗且剛度較低的長(zhǎng)絲編織的開(kāi)口線(xiàn)圈，高剛度襯墊紗則墊在開(kāi)口線(xiàn)圈中。這種結(jié)構(gòu)在受拉伸時(shí)，高剛度襯墊紗伸直，低剛度長(zhǎng)絲纏繞在伸直的襯緯紗上，適當(dāng)?shù)嘏帕卸鄠€(gè)此類(lèi)縱行則可具有負(fù)泊松比性能。后來(lái)，在非負(fù)泊松比的經(jīng)編六角網(wǎng)眼結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上采用高彈紗研究出了另一種負(fù)泊松比經(jīng)編結(jié)構(gòu)。形成負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵在于改變織物中線(xiàn)圈縱行的排列和在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中采用高彈紗。

根據(jù)三角形或雙箭頭的負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)（圖1），用經(jīng)編編織技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的重建，設(shè)計(jì)出一系列由負(fù)泊松比部分和穩(wěn)定部分組成的織物結(jié)構(gòu)，圖 2 所示的經(jīng)編結(jié)構(gòu)在與經(jīng)向成±45°的方向上具有相對(duì)較為顯著的負(fù)泊松比性能。和之前報(bào)道過(guò)的一次性負(fù)泊松比織物不同，該研究中設(shè)計(jì)的針織物不僅在拉伸的第一階段具有負(fù)泊松比性能，而且在經(jīng)過(guò)連續(xù)拉伸后仍能保持該性能，生成的織物較復(fù)雜且很難找出其負(fù)泊松比性能的根本原理。

1.1.2 三維經(jīng)編結(jié)構(gòu)

除了上述的二維經(jīng)編織物外，目前還研究出了新型三維間隔針織物。在經(jīng)編間隔織物中，兩織物表層由很多間隔紗連接在一起，為了更好地維持兩織物表層間的間隔，通常采用單絲作為間隔紗。具有負(fù)泊松比效應(yīng)的三維間隔針織物的研究主要是對(duì)可形成負(fù)泊松比性能的織物幾何結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。目前已研究出的經(jīng)編間隔織物不僅在織物平面內(nèi)具有拉脹性能（圖3），在織物厚度方向同樣具備該性能（圖4），與常規(guī)間隔織物相比，它還具有更好的球面貼合性（圖5）。為增加間隔織物負(fù)泊松比性能的回復(fù)性，可采用高彈力紗線(xiàn)來(lái)編織表層織物。

1.2 緯編結(jié)構(gòu)

目前利用緯編橫機(jī)編織技術(shù)進(jìn)行負(fù)泊松比織物的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)也在初步研究中，使用電腦橫機(jī)已經(jīng)可以生產(chǎn)出基于折疊結(jié)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)三角形和內(nèi)凹六角形的負(fù)泊松比織物。1.2.1 二維緯編結(jié)構(gòu)

基于旋轉(zhuǎn)矩形結(jié)構(gòu)的緯編針織物，是利用電腦橫機(jī)可部分編織的特點(diǎn)，沿著橫列方向連續(xù)編織單獨(dú)的矩形單元，并使它們?cè)陧旤c(diǎn)處相互連接，其實(shí)物如圖6所示。第一橫列和最后一橫列均使用高強(qiáng)彈性橡膠紗，使用彈性橡膠紗連接矩形單元可有效增強(qiáng)結(jié)構(gòu)受拉伸后的回復(fù)性能。其模型結(jié)構(gòu)在兩個(gè)主方向上均具有負(fù)泊松比性能，而在生產(chǎn)出的實(shí)際織物中只有在橫向受到拉伸時(shí)才具有負(fù)泊松比性能。

基于內(nèi)凹六邊形的負(fù)泊松比性能，采用不同編織方法研究出了由電腦橫機(jī)織出的織物結(jié)構(gòu)，實(shí)物如圖7所示，這種內(nèi)凹六邊形結(jié)構(gòu)織物的線(xiàn)圈連接使得連接點(diǎn)周?chē)男D(zhuǎn)受到限制，且每條邊的長(zhǎng)度會(huì)在受到載荷時(shí)發(fā)生變形，各種因素導(dǎo)致實(shí)際織物的負(fù)泊松比性能遠(yuǎn)低于計(jì)算可達(dá)到的負(fù)泊松比值。

1.2.2 三維緯編結(jié)構(gòu)

折疊結(jié)構(gòu)的針織物可以通過(guò)正反線(xiàn)圈的結(jié)合而獲得。正反線(xiàn)圈鋸齒形排列形成的織物會(huì)發(fā)生皺折收縮形成鮮明的三維立體效果，折疊展開(kāi)后結(jié)構(gòu)變大，展現(xiàn)出負(fù)泊松比效應(yīng)，實(shí)物如圖8所示?？椢镌綇澱?，其曲折紋路越密集，負(fù)泊松比效應(yīng)越明顯。后來(lái)又提出了正反線(xiàn)圈矩形排列形成的織物和正反線(xiàn)圈在水平和豎直方向上條形排列形成的織物。

2 負(fù)泊松比針織結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

與傳統(tǒng)材料相比，負(fù)泊松比材料的很多性能得到了增強(qiáng)，如機(jī)械性能、抗壓痕性、斷裂韌性、能量吸收性等，從而使其具有更廣闊的應(yīng)用前景。

2.1 服裝用紡織品

由于負(fù)泊松比材料具有良好的能量吸收性和形狀貼合性，該種特殊性能的織物在防護(hù)服裝和裝備中有很大的應(yīng)用。在一些危險(xiǎn)運(yùn)動(dòng)中，如賽車(chē)、賽馬、滑冰等，防護(hù)服裝和裝備是必不可少的，它可保護(hù)穿著者免受沖擊力造成的傷害。護(hù)具一般都用于手肘、膝蓋等人體容易受傷的部位（圖9），然而目前市場(chǎng)上的護(hù)具大多由泡沫織成，透氣性較差。而三維負(fù)泊松比織物，如間隔織物，其對(duì)于人體舒適性更好，可作為泡沫的取代物。另外，由于其具有同向曲率，受彎曲時(shí)可呈現(xiàn)圓拱形，與人體手肘和膝蓋的形狀更加貼合，可提高其防護(hù)性能和身體部位活動(dòng)的自由度。這種三維負(fù)泊松比間隔織物不僅可以用于人體護(hù)具，還可用于防震手套、防彈背心等。

基于部分人群的特殊需求，負(fù)泊松比織物還可用于日常服裝方面，如童裝、孕婦裝、文胸等。在童裝方面，由于小孩的體形變化快，很多家長(zhǎng)傾向于買(mǎi)寬松的衣服從而給孩子一定的成長(zhǎng)空間，而寬松的衣服在小孩玩耍時(shí)可能會(huì)發(fā)生絆倒或受傷。有折疊結(jié)構(gòu)的負(fù)泊松比織物易于在橫向和縱向同時(shí)延伸，使得合身的衣服可以供小孩穿較長(zhǎng)時(shí)間，從而避免頻繁地購(gòu)買(mǎi)，節(jié)省成本的同時(shí)還能保證服裝的合身性。在孕婦裝中，目前常將彈性織物用于腹部或腰部，其問(wèn)題在于當(dāng)腹部越來(lái)越大時(shí)，彈性織物對(duì)其壓力也越大，而負(fù)泊松比織物則可以順利解決這個(gè)問(wèn)題。當(dāng)腹部變大時(shí)，負(fù)泊松比織物雙向延伸，同時(shí)自然地形成貼合腹部形狀的圓拱形，使腹部無(wú)需承受太大壓力（圖10）。另外，在女士文胸方面，負(fù)泊松比織物也有很大的應(yīng)用。通常對(duì)女士文胸罩杯的要求就是形狀貼合性強(qiáng)、透氣透濕性好以及穿著舒適度高（圖11），由于負(fù)泊松比織物在彎曲變形時(shí)具有同向曲率，它的球面貼合性遠(yuǎn)比傳統(tǒng)織物要好，而且經(jīng)編間隔負(fù)泊松比織物的透氣透濕性也比傳統(tǒng)的海綿好。

2.2 醫(yī)用紡織品

在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，負(fù)泊松比織物還可用于脊柱內(nèi)固定器、人造成形瓣膜、人造血管、食管內(nèi)支架等。與傳統(tǒng)人造血管不同的是，管狀負(fù)泊松比織物制成的人造血管在受到拉伸時(shí)直徑可變大，可以很大程度上緩解由于動(dòng)脈硬化、血栓等疾病對(duì)人體造成的危險(xiǎn)。負(fù)泊松比織物還可制作醫(yī)用智能繃帶，也就是在繃帶內(nèi)部攜帶輔助傷口愈合的藥劑。當(dāng)將其用于腫脹的傷口時(shí)，它會(huì)由于受到拉伸而張開(kāi)，從而釋放藥劑；當(dāng)傷口逐漸愈合，腫脹減輕，繃帶收縮，進(jìn)而停止釋放藥劑（圖12）。

2.3 復(fù)合材料增強(qiáng)結(jié)構(gòu)

負(fù)泊松比纖維、紗線(xiàn)或織物均可作為增強(qiáng)體用于復(fù)合材料中，可有效增強(qiáng)復(fù)合材料的各項(xiàng)性能。當(dāng)負(fù)泊松比材料用于制造夾芯板時(shí)，由于受彎時(shí)是向外膨脹從而吸收更多的能量，而不是像泊松比為正值的材料那樣向內(nèi)凹陷被破壞，因此，由負(fù)泊松比材料制成的夾芯板的安全性可大大提高。由于其良好的能量吸收性，負(fù)泊松比織物可用于生產(chǎn)防爆窗簾，在受到爆炸發(fā)散出的沖擊波時(shí)，該窗簾會(huì)由于受到壓力而張開(kāi)，從而捕獲到隨之而來(lái)的玻璃碎片等，具有防爆功能。再加上其良好的球面貼合性，該材料在頭盔中也有很大的應(yīng)用空間，它可在一定程度上緩解沖擊力，盡量減小對(duì)頭部的傷害。

2.4 車(chē)用紡織品

將負(fù)泊松比織物用于汽車(chē)安全帶，當(dāng)人體在慣性條件下向前傾倒時(shí)，一般的安全帶在受到拉伸時(shí)會(huì)變窄，而負(fù)泊松比材料的安全帶會(huì)整體擴(kuò)展，從而減弱沖擊壓力集中對(duì)人體造成的傷害（圖13）。另外，這種材料還可用于兒童座椅面料（圖14），目前兒童座椅中多采用海綿面料，倘若采用負(fù)泊松比材料作為兒童座椅面料以及兒童安全帶，不僅可以提高其舒適度，而且在安全性方面也有很大提升。

2.5 其他領(lǐng)域

在其他領(lǐng)域方面，孔隙結(jié)構(gòu)的負(fù)泊松比材料，如內(nèi)凹蜂窩狀材料，在受到拉伸時(shí)孔隙會(huì)在雙向都展開(kāi)，可用于過(guò)濾器中；另外，由于其體積模量較低，它可用于傳感器中，如水聽(tīng)器等。在航空領(lǐng)域，它還可以用于航天器發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇葉片、熱防護(hù)材料、飛機(jī)前錐部分、翼段等。負(fù)泊松比材料制成的緊固件比常規(guī)材料更易于安裝插入，其徑向尺寸在一定公差內(nèi)可比孔大，安裝時(shí)受到軸向壓力使其直徑也變小，從而便于安裝。安裝好后去除軸向壓力，在軸向延伸的同時(shí)發(fā)生徑向延伸，從而可以防止緊固件的滑移。

3 負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)針織物的發(fā)展前景

隨著負(fù)泊松比材料的迅速發(fā)展，目前已經(jīng)研究出了很多負(fù)泊松比材料，但負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)針織物的實(shí)現(xiàn)還十分有限。盡管提出了很多潛在應(yīng)用，但負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)針織物的實(shí)際應(yīng)用也仍只限于初級(jí)階段。用常規(guī)紗線(xiàn)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)可廣泛用于服裝生產(chǎn)的負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)針織物仍是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，在開(kāi)發(fā)負(fù)泊松比織物可穿用性的同時(shí)還應(yīng)注重其在重復(fù)穿用中負(fù)泊松比性能的保持性。用于取代泡沫襯墊的三維負(fù)泊松比針織物和智能紡織品也是負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)針織物的發(fā)展方向。另外，還可將負(fù)泊松比效應(yīng)與其他特殊性能，如形狀記憶、電磁效應(yīng)等相結(jié)合，從而把負(fù)泊松比材料的應(yīng)用拓展到更廣泛的產(chǎn)業(yè)用領(lǐng)域。

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作者簡(jiǎn)介：馬丕波，男，1984年生，博士，副教授，主要從事產(chǎn)業(yè)用針織結(jié)構(gòu)材料研發(fā)。

作者單位：江南大學(xué)教育部針織技術(shù)工程研究中心。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（11302085）；江蘇省產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目（BY2014023-34，BY2014023-20）。