變關(guān)鍵參數(shù)下Miura-ori結(jié)構(gòu)機織物的性能

中圖分類號：TS101 文獻標志碼：A 文章編號：1009-265X（2025）06-0036-06

Miura-ori結(jié)構(gòu)是由Koryo Miura于1972年提出的[1]，是最經(jīng)典的折紙折疊結(jié)構(gòu)，也是運用最為廣泛的折疊結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)主要通過折紙的方式，使二維平面材料折疊為三維立體形狀，其作為一種新興超材料結(jié)構(gòu)，吸引了許多學(xué)者對其進行研究。Xiang等[2]采用 Abaqus/Explicit 方法對 Miura-ori單層折疊芯板進行三點彎曲和均勻壓力加載，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這種夾芯板力學(xué)性能優(yōu)于對應(yīng)相同質(zhì)量的整體板。Zhang等3研究了Miura-ori結(jié)構(gòu)在面內(nèi)方向上的準靜態(tài)壓縮性能，結(jié)果表明初始二面角越大，Miura-ori結(jié)構(gòu)超材料的單位質(zhì)量能量吸收能力越大，且在壓縮過程中泊松比變化明顯；在面內(nèi)壓縮條件下，通過比較Miura-ori結(jié)構(gòu)超材料與單壁規(guī)則蜂窩結(jié)構(gòu)超材料的能量吸收效率，發(fā)現(xiàn)Miura-ori結(jié)構(gòu)超材料的性能優(yōu)于相同相對密度的蜂窩材料性能。Zhong等[4]研究發(fā)現(xiàn)，Miura-ori結(jié)構(gòu)與其他多孔材料類似，表現(xiàn)出很強的能量吸收能力。Miura-ori結(jié)構(gòu)的能量吸收隨著加載速率增加而增加，而且初始二面角越大其比能量值越大。馬瑞君等5設(shè)計了一種基于Miura-ori模式的內(nèi)凹六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)，在面內(nèi)加載條件下，該折紙型二級緩沖結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出明顯的兩階段緩沖性能，相比于傳統(tǒng)二級緩沖蜂窩結(jié)構(gòu)，其峰值應(yīng)力較低，更容易實現(xiàn)軟著陸。相比于其它超材料結(jié)構(gòu)，Miura-ori結(jié)構(gòu)的性能更優(yōu)，目前已得到了廣泛研究，但將該結(jié)構(gòu)應(yīng)用于織物的相關(guān)研究較少，且關(guān)于Miura-ori結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究多是探究初始二面角對材料性能的影響。

“約”與“皺”是紡織品織造中經(jīng)常出現(xiàn)的現(xiàn)象，織物在有彈性紗線織造或者織物內(nèi)有特殊織物組織的情況下，受力不勻會形成約和皺。采用絡(luò)組織配置不同的經(jīng)紗張力、使用不同收縮性能的經(jīng)紗、使用彈力絲、變形絲、強捻紗，應(yīng)用特殊后整理工藝等都可以做出風(fēng)格各異的起約織物[6。李思[7通過改變紗線配置、織物組織設(shè)計及折皺整理探討了機織物折皺效果的形成原理，采用提花工藝織造出具有立體折皺效果的機織物。侍康妮[8采用幾何紋樣設(shè)計配合緯二重組織，設(shè)計并織造成型一款緯向半立體構(gòu)成折皺效果提花織物。區(qū)別于折皺織物，折紙結(jié)構(gòu)織物主要通過折疊和搭接形成許多折痕和交叉點，這些折痕通常更加復(fù)雜和獨特。Miura-ori結(jié)構(gòu)織物作為一種折紙結(jié)構(gòu)織物，通過采用精確的計算和特殊的設(shè)計，形成固定的折疊線和角度，且織物通常比較堅固，因為折疊處的交叉點增加了織物的強度和耐久性。Liu[9采用4D打印形狀記憶聚乳酸（PLA）制備Miura-ori結(jié)構(gòu)預(yù)成型體，發(fā)現(xiàn)Miura-ori結(jié)構(gòu)試樣具有大變形可回復(fù)能力，且在形狀回復(fù)過程中會產(chǎn)生較大的體積變化。Luan等[10]設(shè)計并制造了一種緯編三浦折疊（WMF）織物，創(chuàng)造了具有負泊松比性能的自折疊三維結(jié)構(gòu)，所研制的針織物在人工血管、人工折疊粘膜等組織工程領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用潛力。 ΔXu 等[通過織物結(jié)構(gòu)設(shè)計并引入彈性紗線，采用織造技術(shù)在提花機上織造了Miura-ori結(jié)構(gòu)織物，發(fā)現(xiàn)其具有負泊松比效應(yīng)?，F(xiàn)有研究雖已制備出折紙結(jié)構(gòu)織物，但并未對其性能進行深入研究，且缺少對折紙結(jié)構(gòu)織物關(guān)鍵參數(shù)的深人探討。

為了研究Miura-ori結(jié)構(gòu)機織物的關(guān)鍵參數(shù)對其性能的影響，本文通過改變紗線參數(shù)和角度參數(shù)，擬制備4種不同的Miura-ori結(jié)構(gòu)機織物，探討不同Miura-ori結(jié)構(gòu)參數(shù)以及不同紗線參數(shù)對Miura-ori結(jié)構(gòu)機織物的物理力學(xué)性能和熱濕性能的影響。研究Miura-ori結(jié)構(gòu)機織物有助于掌握折紙結(jié)構(gòu)與織物的制備技術(shù)，深化對紡織材料的理解，對于開發(fā)新的紡織材料和工藝具有借鑒意義。

1 Miura-ori結(jié)構(gòu)織物

1.1 Miura-ori結(jié)構(gòu)設(shè)計

Miura-ori結(jié)構(gòu)可以通過折紙的方式將二維平面材料折疊成具有三維形狀的材料，其折痕設(shè)計如圖1所示。

假定Miura-ori的單胞的邊長為 Ω_a 和 b，a 和 兩邊所夾銳角 ；折疊角度中折疊平面與xoy平面所夾二面角 θ∈[0，π/2] ，折痕線與y 軸夾角 β∈[0，α] ，折疊平面與 yoz 平面所夾二面角 ψ∈[0 ， π/2 ]；折痕線與 y 軸夾角 φ∈[0 α] 。假設(shè)Miura-ori的單胞的高度為 h ，長度為 2l 折痕間寬度為 2m ，單條折痕在 y 軸上的映射長度為 v ，可以推知Miura-ori結(jié)構(gòu)單胞的尺寸滿足式（1）—（4）：

h=a?sinαsinθ=a?sinφ

1. 2 Miura-ori結(jié)構(gòu)機織物的制備

采用16.67tex和27.78tex白色滌綸作為經(jīng)紗。緯紗采用非彈性紗和彈性紗，非彈性緯紗選用16.67tex黑色滌綸，彈性緯紗為16.67tex黑色滌綸與7.78tex白色氨綸通過CNST-N01捻線試驗機并線加捻形成的復(fù)合紗。對加捻后紗線進行熱濕定型（熱蒸氣定型 30min ）處理，使紗線結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。紗線經(jīng)自然風(fēng)干，得到織造用緯紗

采用SGA598-D多軸全自動大提花織機對機織物進行織造。配合織物面料設(shè)計軟件紋織CADView60，織制Miura-ori結(jié)構(gòu)機織物。設(shè)置Miura-ori單胞邊長 a=25mm ， b=25mm ，固定折痕寬度為2mm ，改變 Δ_a 和 b 兩邊所夾銳角 α 的角度，分別設(shè)置為 30^°，45^°，60^° ，共織制4種Miura-ori結(jié)構(gòu)機織物。表1顯示了Miura-ori結(jié)構(gòu)機織物的基本參數(shù)。

2 實驗

2.1 條件及儀器

測試條件：實驗在恒溫恒濕實驗室進行，溫度（20±2）^eC ，相對濕度 （65±4）% ，符合ISO1392005標準。

實驗儀器：HD026G材料試驗儀，南通宏大實驗儀器有限公司；YG022D型全自動織物硬挺度儀，上海際發(fā)儀器設(shè)備有限公司；YG461E透氣性測試儀，溫州方圓儀器有限公司；YG601H電腦型面料透濕儀，寧波紡織儀器廠。

2.2 織物壓縮性能測試

采用HD026G材料試驗儀進行織物壓縮性能測試。根據(jù)定壓法測試的參數(shù)要求進行設(shè)置，壓腳面積選擇 300cm² ，隔距 30mm ，壓縮速度和回復(fù)速度都為 20mm/min ，輕壓壓力2N，輕壓時間 10s ，重壓壓力 10N ，重壓時間 60s ，測試6次求平均值。

2.3 織物彎曲性能測試

采用YG022D型全自動織物硬挺度儀進行織物彎曲性能測試，實驗角度為 41.5^° 。每塊織物上裁取尺寸為 25mm×250mm 的6塊樣品，測試6塊試樣的彎曲長度，求其平均值作為該面料的平均彎曲長度。根據(jù)式（5）求得抗彎剛度：

G=m×C³×10^-2

式中： G 為單位寬度的抗彎剛度， mN?cm . ?_m 是試樣的單位面積質(zhì)量， g/m² ; c 為試樣的平均彎曲長度， cm 。

2.4 織物透氣性測試

采用YG461E透氣性測試儀進行織物透氣性測試。測試面積 20cm² ，儀器自動根據(jù)試樣的透氣情況進行孔板選擇。在同一樣品的不同部位重復(fù)測定10次，取結(jié)果的平均值得到織物的透氣率 R ，單位是 mm/s 。

式中： q_v 是平均氣流量， dm³/min 5 A 是實驗面積，cm² ;167是由 dm³/（min×cm²） 換算成 mm/s 的換算系數(shù)。

2.5 織物透濕性測試

采用YG601H電腦型面料透濕儀進行織物透濕性測試。通過計算得到試樣透濕率 ，單位為g/（m²?h） 。

式中： m₁…m₂ 分別為透濕前后同一實驗組合體的質(zhì)量， g;A 為有效實驗面積， m²;t 為實驗時間， h 。

3 結(jié)果與分析

3.1 織物壓縮性能

表2為織物定壓實驗結(jié)果。由表2可以看出，在經(jīng)紗相同的情況下，隨著Miura-ori結(jié)構(gòu)角度的增加，織物的壓縮測試結(jié)果數(shù)值呈上升趨勢。X30的定壓實驗結(jié)果值最小，壓縮率為 34.98% ;X60的定壓實驗結(jié)果值除重壓厚度外均最大，壓縮率為73.97% 。在相同壓力下，Miura-ori結(jié)構(gòu)的角度越大，其三維立體形狀越高。不同角度的Miura-ori結(jié)構(gòu)機織物測得的輕壓厚度與重壓厚度與表1中測得的織物厚度呈現(xiàn)反趨勢，是由于壓力不同，Miura-ori結(jié)構(gòu)的特殊性使得織物在壓縮時結(jié)構(gòu)逐漸被破壞，當力足夠大，Miura-ori結(jié)構(gòu)消失，變成織物本身的壓縮

圖2為織物壓縮性能測試曲線圖。從圖2也可以觀察到，在壓縮回復(fù)階段，曲線先呈線性變化，然后斜率明顯變小，即相同位移下所需壓縮力變大，說明在此階段Miura-ori結(jié)構(gòu)開始恢復(fù)。Miura-ori結(jié)構(gòu)的角度越小紗線交織越緊密，在較大壓力下，所測得的織物厚度越大。不同經(jīng)紗的Miura-ori結(jié)構(gòu)機織物中，經(jīng)紗線密度越小，輕壓厚度、壓縮率和壓縮功越大，重壓厚度和回復(fù)功越小。由圖2可以看出，Y45和X45曲線具有相同趨勢，但Y45的行程更短。造成上述現(xiàn)象的原因主要是X45的經(jīng)紗細度與緯紗線密度更接近，織物交織更緊密，結(jié)構(gòu)保形性更好。

3.2 織物彎曲性能

在測試時發(fā)現(xiàn)，織物正面和反面的彎曲性能具有較大差異。這是由于Miura-ori結(jié)構(gòu)機織物采用緯二重織物組織設(shè)計，織物正反面的織物組織設(shè)計不同。由圖3織物彎曲性能測試結(jié)果的條形圖可以看出，Miura-ori結(jié)構(gòu)機織物正面的硬挺度更大。在經(jīng)紗相同的情況下，隨著Miura-ori結(jié)構(gòu)角度的增加，正反面的彎曲性能差異愈加明顯。

將試樣放在儀器測試平臺上，壓板壓下時將Miura-ori結(jié)構(gòu)破壞。測試時，沿平臺長軸方向推出試樣使其伸出平臺，伸出平臺的部分Miura-ori結(jié)構(gòu)開始恢復(fù)，然后在自重下彎曲。當Miura-ori結(jié)構(gòu)角度為 45^° 時織物正反面硬挺度均較大，且X45與Y45正面彎曲性能測試結(jié)果相差不大，說明Miura-ori結(jié)構(gòu)角度為 45^° 時保形性更好。Y45的硬挺度最大且正反面差異最小，是由于其經(jīng)緯紗線密度差異與Miura-ori結(jié)構(gòu)織物組織設(shè)計二者相互影響。

3.3 織物透氣性

測試試樣壓差為 下的Miura-ori結(jié)構(gòu)機織物的透氣性能，其結(jié)果如圖4所示。隨著壓差的增加，Miura-ori結(jié)構(gòu)機織物的透氣率增加，透氣性能越好。相同壓差下，Miura-ori結(jié)構(gòu)角度為45^° 時透氣性能更好。在壓差為 50Pa 時，由于壓差較小，Miura-ori結(jié)構(gòu)機織物的透氣性能差異并不明顯，但仍能看出角度為 45^° 時透氣性能優(yōu)于其他結(jié)構(gòu)角度，且Y45的透氣性能在4種Miura-ori結(jié)構(gòu)機織物中最好。在相同壓差下，Y45透氣性能優(yōu)于X45，這是因為Y45經(jīng)緯紗線密度差異更加明顯，織物厚度和密度小于X45，經(jīng)緯紗交織數(shù)少于X45，所以透氣效果更好。

3.4 織物透濕性

Miura-ori結(jié)構(gòu)機織物的透濕性能測試結(jié)果見圖5。由圖5可以看出，Y45的透濕性能最好，透濕率為 268.26g/（Ωm²?h） ，這是因為Y45的厚度和密度較小，密實程度較差，紗線交織數(shù)少，孔隙較大。對比X30、X45和X60可以看出，在經(jīng)紗相同的情況下，隨著Miura-ori結(jié)構(gòu)角度的增加，織物的透濕率呈先下降再增加的趨勢

4結(jié)論

為了探討關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對Miura-ori結(jié)構(gòu)機織物的性能影響，選用16.67tex和27.78tex經(jīng)紗，改變Miura-ori結(jié)構(gòu)角度（ 30^°，45^° 和 60^° ），制備了4種Miura-ori結(jié)構(gòu)機織物X30、X45、X60和Y45。對4種Miura-ori結(jié)構(gòu)機織物進行了壓縮性能測試、彎曲性能測試、透氣性能測試和透濕性能測試，通過對比以及分析，可得到如下結(jié)論：

a）在經(jīng)紗相同的情況下，隨著Miura-ori結(jié)構(gòu)角度的增加，織物的壓縮效果越好；當結(jié)構(gòu)角度相同時，低經(jīng)紗線密度織物X45的輕壓厚度、壓縮率和壓縮功比高經(jīng)紗線密度織物Y45大。

b）在經(jīng)紗相同的情況下，隨著Miura-ori結(jié)構(gòu)角度的增加，織物正反面的彎曲性能差異更加明；Miura-ori結(jié)構(gòu)角度為 45^° 時織物正反面硬挺度均較大，高經(jīng)紗線密度織物Y45的硬挺度最大且正反面差異最小。

c）Miura-ori結(jié)構(gòu)織物的透氣率隨著壓差的增加而增大；相同壓差下，Miura-ori結(jié)構(gòu)角度為 45^° 時透氣性能更好，且經(jīng)紗線密度大的透氣性能更優(yōu)

d）在經(jīng)紗相同的情況下，隨著Miura-ori結(jié)構(gòu)角度的增加，透濕率呈先下降再增加的趨勢；4種Miura-ori結(jié)構(gòu)機織物中Y45的透濕性能最好，透濕率為 268.26g/（Ωm²?h） ，即經(jīng)紗線密度大、結(jié)構(gòu)角度為 45^° 時的透濕性能更好。

Miura-ori結(jié)構(gòu)機織物的制備與研究對于開發(fā)具有新結(jié)構(gòu)的紡織品和工藝具有借鑒意義，將超材料結(jié)構(gòu)與紡織品結(jié)構(gòu)結(jié)合，為紡織科學(xué)和材料科學(xué)領(lǐng)域提供了新的研究方向和領(lǐng)域

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Abstract：Origami art originated in China，and was then introduced to Japan and to the world.With the development of research on origami structure and textile technology，the foldable fabric based on origami structure has been derived from the combination of the two technologies，which makes theapplication and innovation of origami structure in the textile field possble.Miura-ori structure is the most classic origami folding structure and the most widely used folding structure.Itcan fold two-dimensional plane materials into thre-dimensional shapes by origami.As an emerging metamaterial structure，the Miura-ori structure has atracted many scholars to study it.

To further develop fabrics with geometric effects and functionality，the Miura-ori structure woven fabrics were prepared by combining the origami structure with the fabric structure，and their mechanical propertiesand thermalmoisture properties were studied and analyzed.Origami fabrics mainly form many folded and crossed folds through folding and lappng，which areusually quite complex andunique.Origami fabrics usually adopt accurate calculation and design to form a fixed folding line and angle.Origami fabricsareusualy stable，because the intersection of wrinkles increases the strength and durabilityof the fabric.The SGA598-D multi-axisautomatic jacquard loom was used to weave the woven fabrics.Miura-ori structural fabricswere designed with the help of fabric design software CAD View6O.Four kinds of Miura-ori structure fabrics were prepared by changing the warp parameters and the angle α of the Miura-ori structure side length， and the effects of diferent parameters on the properties of the fabrics were demonstrated.16.67 tex and 27.78 tex white PET were used as warp yarns，16.67 tex black PET was used as inelastic weft yarn，and the composite yarn formed by16.67 tex black PETand 7.78 tex white PU was used as elastic weft yarn，and four kinds of Miura-ori structure woven fabrics Y45， X30， X45 and X6O were prepared by changing the Miura-ori structure angle， which was set to 30^° ， 45^° and 60^° respectively. The compression performance test，bending performance test，air permeability test and moisture permeability test of the four Miura-ori structure fabrics were caried out.The results showed that when the Miura-ori structure angle was （204號 45^° ，the shape retention and the air permeability were beter.When the structure angle was the same， the stifess，air permeabilityand moisture permeabilityof the fabric with high-warp yarn density were beter.Miura-ori structurefabrics were compressed first by the destruction of the structure，and then by the compresson of fabrics themselves.The bending properties of the front and back sides of Miura-ori structure fabrics were quite different， and the front stiffness of Miura-ori structure fabrics was greater.

In this paper，based on origami folding structure， Miura-ori structure was applied to textiles structure and Miura-ori structure fabrics were prepared to study their mechanical and thermal-moisture properties.The study of origami fabrics can provide anew way forthe development of materials with specific functions，which is of great significance forthe development of new textile materials and processes，and promotes technological innovation inthe field of textile and materials science.

Keywords： origami structure; Miura-ori； woven fabric; mechanical properties; thermal-moisture properties