負泊松比針織結構及其應用

馬丕波+常玉萍+蔣高明

摘要：本文對各個負泊松比材料的作用原理進行概括和總結，并簡要介紹了目前用針織技術實現負泊松比結構的方案，包括平面經編織物、三維間隔織物、緯編折疊結構織物等。最后對負泊松比結構針織物在服用和產業(yè)用方面廣泛的潛在應用分別進行了介紹，并展望了負泊松比結構針織物在以后研究中的發(fā)展方向及前景。

關鍵詞：負泊松比；結構；針織技術；應用

中圖分類號：TS184

文獻標志碼：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 負泊松比針織結構的研究現狀

1.1 經編結構

1.1.1 二維經編結構

基于螺旋形紗線結構的作用原理，研究出了由編鏈縱行和襯緯紗組成的經編針織結構，縱行是用較粗且剛度較低的長絲編織的開口線圈，高剛度襯墊紗則墊在開口線圈中。這種結構在受拉伸時，高剛度襯墊紗伸直，低剛度長絲纏繞在伸直的襯緯紗上，適當地排列多個此類縱行則可具有負泊松比性能。后來，在非負泊松比的經編六角網眼結構的基礎上采用高彈紗研究出了另一種負泊松比經編結構。形成負泊松比結構的關鍵在于改變織物中線圈縱行的排列和在基礎結構中采用高彈紗。

根據三角形或雙箭頭的負泊松比結構（圖1），用經編編織技術進行結構的重建，設計出一系列由負泊松比部分和穩(wěn)定部分組成的織物結構，圖 2 所示的經編結構在與經向成±45°的方向上具有相對較為顯著的負泊松比性能。和之前報道過的一次性負泊松比織物不同，該研究中設計的針織物不僅在拉伸的第一階段具有負泊松比性能，而且在經過連續(xù)拉伸后仍能保持該性能，生成的織物較復雜且很難找出其負泊松比性能的根本原理。

1.1.2 三維經編結構

除了上述的二維經編織物外，目前還研究出了新型三維間隔針織物。在經編間隔織物中，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。具有負泊松比效應的三維間隔針織物的研究主要是對可形成負泊松比性能的織物幾何結構的設計。目前已研究出的經編間隔織物不僅在織物平面內具有拉脹性能（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）。為增加間隔織物負泊松比性能的回復性，可采用高彈力紗線來編織表層織物。

1.2 緯編結構

目前利用緯編橫機編織技術進行負泊松比織物的開發(fā)和生產也在初步研究中，使用電腦橫機已經可以生產出基于折疊結構、旋轉三角形和內凹六角形的負泊松比織物。1.2.1 二維緯編結構

基于旋轉矩形結構的緯編針織物，是利用電腦橫機可部分編織的特點，沿著橫列方向連續(xù)編織單獨的矩形單元，并使它們在頂點處相互連接，其實物如圖6所示。第一橫列和最后一橫列均使用高強彈性橡膠紗，使用彈性橡膠紗連接矩形單元可有效增強結構受拉伸后的回復性能。其模型結構在兩個主方向上均具有負泊松比性能，而在生產出的實際織物中只有在橫向受到拉伸時才具有負泊松比性能。

基于內凹六邊形的負泊松比性能，采用不同編織方法研究出了由電腦橫機織出的織物結構，實物如圖7所示，這種內凹六邊形結構織物的線圈連接使得連接點周圍的旋轉受到限制，且每條邊的長度會在受到載荷時發(fā)生變形，各種因素導致實際織物的負泊松比性能遠低于計算可達到的負泊松比值。

1.2.2 三維緯編結構

折疊結構的針織物可以通過正反線圈的結合而獲得。正反線圈鋸齒形排列形成的織物會發(fā)生皺折收縮形成鮮明的三維立體效果，折疊展開后結構變大，展現出負泊松比效應，實物如圖8所示。織物越彎折，其曲折紋路越密集，負泊松比效應越明顯。后來又提出了正反線圈矩形排列形成的織物和正反線圈在水平和豎直方向上條形排列形成的織物。

2 負泊松比針織結構的應用

與傳統(tǒng)材料相比，負泊松比材料的很多性能得到了增強，如機械性能、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用前景。

2.1 服裝用紡織品

由于負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服裝和裝備中有很大的應用。在一些危險運動中，如賽車、賽馬、滑冰等，防護服裝和裝備是必不可少的，它可保護穿著者免受沖擊力造成的傷害。護具一般都用于手肘、膝蓋等人體容易受傷的部位（圖9），然而目前市場上的護具大多由泡沫織成，透氣性較差。而三維負泊松比織物，如間隔織物，其對于人體舒適性更好，可作為泡沫的取代物。另外，由于其具有同向曲率，受彎曲時可呈現圓拱形，與人體手肘和膝蓋的形狀更加貼合，可提高其防護性能和身體部位活動的自由度。這種三維負泊松比間隔織物不僅可以用于人體護具，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，很多家長傾向于買寬松的衣服從而給孩子一定的成長空間，而寬松的衣服在小孩玩耍時可能會發(fā)生絆倒或受傷。有折疊結構的負泊松比織物易于在橫向和縱向同時延伸，使得合身的衣服可以供小孩穿較長時間，從而避免頻繁地購買，節(jié)省成本的同時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，其問題在于當腹部越來越大時，彈性織物對其壓力也越大，而負泊松比織物則可以順利解決這個問題。當腹部變大時，負泊松比織物雙向延伸，同時自然地形成貼合腹部形狀的圓拱形，使腹部無需承受太大壓力（圖10）。另外，在女士文胸方面，負泊松比織物也有很大的應用。通常對女士文胸罩杯的要求就是形狀貼合性強、透氣透濕性好以及穿著舒適度高（圖11），由于負泊松比織物在彎曲變形時具有同向曲率，它的球面貼合性遠比傳統(tǒng)織物要好，而且經編間隔負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)學領域，負泊松比織物還可用于脊柱內固定器、人造成形瓣膜、人造血管、食管內支架等。與傳統(tǒng)人造血管不同的是，管狀負泊松比織物制成的人造血管在受到拉伸時直徑可變大，可以很大程度上緩解由于動脈硬化、血栓等疾病對人體造成的危險。負泊松比織物還可制作醫(yī)用智能繃帶，也就是在繃帶內部攜帶輔助傷口愈合的藥劑。當將其用于腫脹的傷口時，它會由于受到拉伸而張開，從而釋放藥劑；當傷口逐漸愈合，腫脹減輕，繃帶收縮，進而停止釋放藥劑（圖12）。

2.3 復合材料增強結構

負泊松比纖維、紗線或織物均可作為增強體用于復合材料中，可有效增強復合材料的各項性能。當負泊松比材料用于制造夾芯板時，由于受彎時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凹陷被破壞，因此，由負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，負泊松比織物可用于生產防爆窗簾，在受到爆炸發(fā)散出的沖擊波時，該窗簾會由于受到壓力而張開，從而捕獲到隨之而來的玻璃碎片等，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用空間，它可在一定程度上緩解沖擊力，盡量減小對頭部的傷害。

2.4 車用紡織品

將負泊松比織物用于汽車安全帶，當人體在慣性條件下向前傾倒時，一般的安全帶在受到拉伸時會變窄，而負泊松比材料的安全帶會整體擴展，從而減弱沖擊壓力集中對人體造成的傷害（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 其他領域

在其他領域方面，孔隙結構的負泊松比材料，如內凹蜂窩狀材料，在受到拉伸時孔隙會在雙向都展開，可用于過濾器中；另外，由于其體積模量較低，它可用于傳感器中，如水聽器等。在航空領域，它還可以用于航天器發(fā)動機的風扇葉片、熱防護材料、飛機前錐部分、翼段等。負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可比孔大，安裝時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，在軸向延伸的同時發(fā)生徑向延伸，從而可以防止緊固件的滑移。

3 負泊松比結構針織物的發(fā)展前景

隨著負泊松比材料的迅速發(fā)展，目前已經研究出了很多負泊松比材料，但負泊松比結構針織物的實現還十分有限。盡管提出了很多潛在應用，但負泊松比結構針織物的實際應用也仍只限于初級階段。用常規(guī)紗線設計和生產可廣泛用于服裝生產的負泊松比結構針織物仍是一項挑戰(zhàn)，在開發(fā)負泊松比織物可穿用性的同時還應注重其在重復穿用中負泊松比性能的保持性。用于取代泡沫襯墊的三維負泊松比針織物和智能紡織品也是負泊松比結構針織物的發(fā)展方向。另外，還可將負泊松比效應與其他特殊性能，如形狀記憶、電磁效應等相結合，從而把負泊松比材料的應用拓展到更廣泛的產業(yè)用領域。

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作者簡介：馬丕波，男，1984年生，博士，副教授，主要從事產業(yè)用針織結構材料研發(fā)。

作者單位：江南大學教育部針織技術工程研究中心。

基金項目：國家自然科學基金項目（11302085）；江蘇省產學研項目（BY2014023-34，BY2014023-20）。