负泊松比经编间隔织物的准静态拉伸性能

常玉萍， 马丕波,2

(1. 江南大学 教育部针织技术工程研究中心， 江苏 无锡 214122；2. 生态纺织教育部重点实验室(江南大学)， 江苏 无锡 214122)

负泊松比经编间隔织物是将负泊松比结构[1]与经编间隔织物结合起来实现的新型织物结构，理论上兼具了经编间隔织物的透气透湿性、缓压性、回弹性、抗震性等优良性能[2-4]，以及受单向拉(压)力时在垂直于拉(压)力方向上反常规变形的负泊松比特性[5]。

拉伸性能是纺织材料力学性能的主要指标之一，通过拉伸实验可得到材料在载荷下的失效形式，即过量弹性变形、塑性变形和断裂，更重要的是可标定出材料的基本性能指标[6]。织物的拉伸性能指标主要包括断裂强力和断裂伸长率，受力形式与纤维、纱线相似，只是拉伸方向需沿织物的二维平面，可沿经向、纬向、斜向或经纬双向同时拉伸[7]。目前，纺织行业对织物的拉伸以单向拉伸为主，受单向拉伸时织物先是束腰收缩，然后继续受拉至断裂。

本文对基于旋转六边形结构[8-10]的4种经编间隔织物进行经向和纬向的准静态拉伸，记录其从初始状态至拉伸断裂过程中的载荷与伸长值，并转换成对应的应力与应变曲线，通过应力对应变的积分获得能量值，以表征织物的能量吸收性能。对比分析各经编间隔织物的负泊松比与拉伸性能、能量吸收性能之间的关系，并结合织物的断裂形态分析其拉伸断裂过程。

1 实 验

1.1 样品制备参数

测试材料为RD7/2-12EN型拉舍尔双针床经编机制备的经编间隔织物，第1、2、6、7把梳的原料为22.22 tex涤纶低弹丝，第3、5把梳的原料为 11.11 tex涤纶低弹丝，第4把梳间隔丝为 0.09 mm涤纶单丝。通过改变GB4的垫纱组织制备了 4种不同结构的试样，GB4垫纱组织的参数变化如表1 所示。

表1 GB4组织变化Tab.1 Changes of GB4 chain notations

送经量(编织480横列织物所需纱线的长度，mm)的参数变化如表2所示。织造过程中，牵拉密度(每厘米长度内的线圈横列数)设定为11，前后针床的间隔距离为4 mm。

表2 送经量设置Tab.2 Let-off parameters

1.2 泊松比值测试

沿着经向和纬向分别将4种织物裁剪为尺寸为50 mm×180 mm的试样，采用HD026 N+型织物强力仪(南通宏大实验仪器有限公司)进行定伸长拉伸测试。

根据下式计算泊松比：

式中：ν为泊松比值；εy为垂直于拉伸方向的应变值；εx为沿着拉伸方向的应变值。

设定实验参数定伸长值为10 mm，拉伸速度为 200 mm/min，夹持隔距为100 mm。在织物定伸长拉伸开始的同时进行图片采集，以每秒3张图片的拍摄速度记录织物在拉伸过程中的形态，每个样品共采集9张图片。测试和图片采集完成后，依次进行图片处理，测量样品在拉伸过程中的长度和中间宽度值，根据泊松比值的定义进行计算。

1.3 拉伸实验

根据GB/T 3923.1—2013《纺织品 织物拉伸性能 第1部分：断裂强力和断裂伸长率的测定 条样法》，采用YG026D型多功能电子织物强力机(宁波纺织仪器厂)测试拉伸性能，同时配合控制程序和计算机进行数据采集。将织物沿着经向和纬向分别裁剪出5块规格为50 mm×180 mm的试样，在施加2 N预张力的条件下进行拉伸实验，以获取各个试样的断裂强力、断裂伸长，以及随着拉伸长度的增加拉力值的变化曲线。

根据下式近似计算应变率[11]：

设定测试设备的夹持长度为100 mm，拉伸速度为10 mm/min，使应变率约为0.001 s-1，进行准静态拉伸。拉伸实验可获得织物从预张力的初始状态拉伸至断裂过程中的拉力值与拉伸长度，根据下式计算织物在拉伸过程中的应力与应变值：

式中：σ为应力，MPa；F为拉伸力值，N；S为试样垂直于拉伸方向的截面积，m2；ε为应变，%；ΔL为拉伸方向的长度变化量，mm；L为夹持距离，mm。

2 测试结果及分析

2.1 织物负泊松比结构分析

对编号为1#、2#、3#、4#的织物试样，分别在经向和纬向进行了泊松比值的测量和计算。利用OriginPro8对数据进行统计分析，各组织织物的泊松比值与单向应变的关系如图1所示。

图1 各试样泊松比值与单向应变的关系Fig.1 Relationship between Poisson ratio and uniaxial strain of various samples. (a) Sample 1#; (b) Sample 2#; (c) Sample 3#; (d) Sample 4#

由图1可以看出，试样1#和2#在经向和纬向均不具备负泊松比，而试样3#和4#在经向不具备负泊松比，在纬向分别具有不同程度的负泊松比，且纬向的负泊松比都随着单向应变值的增加而不断减弱。在应变刚开始增加的过程中负泊松比减弱的速率较快，当应变增大到一定程度时则趋于稳定，当应变超过其临界值时织物完全失去负泊松比。织物的负泊松比结构与其在初始状态下的收缩程度有着密不可分的关系。显而易见，4种组织试样在纬向均有明显收缩，但经向收缩则有所差异，其中试样1#和2#在经向几乎都没有收缩变形，试样3#和4#略有收缩，呈现出折线形，这种收缩变形并不显著但稳定。由此可见，经向的收缩变形程度对织物能否产生负泊松比结构有决定性作用，初始状态下织物在经向和纬向同时存在收缩才能使织物在纬向具备负泊松比结构，单独的纬向收缩并不能产生负泊松比；因此可预测：单独的经向或纬向收缩均不能产生负泊松比，只有当经向和纬向同时收缩才会产生负泊松比，而在本文试样中，负泊松比的大小在很大程度上取决于织物能否产生显著且稳定的经向收缩。

2.2 拉伸性能与能量吸收性分析

4种组织试样受经向拉伸和纬向拉伸时的应力与应变曲线如图2～5所示。

应力与应变曲线是由拉伸实验得到的拉力与伸长曲线数据，经过换算和OriginPro8软件处理得到。织物能量吸收性能可用应力值在应变范围内的积分来表示，公式如下。

式中：ε为应变值；σ为对应的应力值；C为吸收的能量值。

图2～5中的阴影部分，即应力与应变曲线下的面积，表示织物在拉伸至断裂过程中所吸收的能量大小，结果如图6所示。可以看出：1)受纬向拉伸时，试样1#的织物能量吸收最小，试样4#的织物能量吸收最大，从试样1#到4#织物的能量吸收性能逐渐递增；2)受经向拉伸时，试样2#的织物能量吸收最小，试样4#的织物能量吸收最大，但从试样1#至4#织物的能量吸收性能无明显变化趋势；3)所有织物受经向拉伸时的能量吸收都远大于受纬向拉伸时的能量吸收。

图2 试样1#受单向拉伸的应力与应变曲线Fig.2 Stress-strain curves of sample 1# under uniaxial stretch. (a) Under warp-direction stretch; (b) Under weft-direction stretch

图3 试样2#受单向拉伸的应力与应变曲线Fig.3 Stress-strain curves of sample 2# under uniaxial stretch. (a) Under warp-direction stretch; (b) Under weft-direction stretch

图4 试样3#受单向拉伸的应力与应变曲线Fig.4 Stress-strain curves of sample 3# under uniaxial stretch. (a) Under warp-direction stretch; (b) Under weft-direction stretch

图5 试样4#受单向拉伸的应力与应变曲线Fig.5 Stress-strain curves of sample 4# under uniaxial stretch. (a) Under warp-direction stretch; (b) Under weft-direction stretch

图6 各试样在不同方向上的能量吸收Fig.6 Energy absorption of all samples in different directions

从各组织织物受单向拉伸时的应力与应变曲线(图2～5)可以看出：各组织织物受纬向拉伸时，随着应变值的增加，应力值先是缓慢增大，再逐渐较快增长直至织物拉伸断裂；受经向拉伸时，应力值的增长与受纬向拉伸时相比，增长速率较快。纬向拉伸至断裂过程中应变范围较大，约为受经向拉伸时的3倍，但经向拉伸至断裂的过程中应力极限远大于纬向拉伸，约为纬向拉伸断裂应力极限的6倍。由于经向拉伸过程中织物所能承受载荷远大于纬向拉伸，在整个应变范围内的积分面积也远大于纬向拉伸，所以织物受经向拉伸时的能量吸收均远大于受纬向拉伸时的能量吸收。

2.3 负泊松比与能量吸收性能的对比分析

结合对各组织织物泊松比值与能量吸收性能的分析可知：试样3#和4#的织物在受纬向拉伸时可具备负泊松比，且试样4#的织物负泊松比结构相对较好；试样3#和4#的织物中受纬向拉伸时的能量吸收性能相对较好，且试样4#的织物受纬向拉伸时的能量吸收性最佳。由此可推断，若织物在受单向拉伸时具备负泊松比，则其在该拉伸方向上的能量吸收性能比不具备负泊松比的织物好；织物在某一单向拉伸方向上的负泊松比性能越好，则织物在该方向上的能量吸收性能越好，与织物的负泊松比呈正相关。

各组织织物受经向拉伸时均不具备负泊松比，且受经向拉伸时的能量吸收无明显变化，因此，无法得出有关非负泊松比织物能量吸收性能的变化趋势推论。另外，所有织物受经向拉伸时的能量吸收均远大于受纬向拉伸时的能量吸收，且其受经向拉伸时的断裂应力也均远大于受纬向拉伸时的断裂应力，但受拉伸时经向的应变极限远小于纬向的应变极限，这与织物在经向有较小的收缩变形及在纬向有较大的收缩变形密切相关，由于织物在初始状态下的纬向收缩很明显，导致其受纬向拉伸时，收缩了的六角网眼先是被拉伸至正常状态，在这个过程中织物应力随应变的增大缓慢增大，其中吸收的能量可称为结构变形容量，之后随着应变的继续增大，纬向的连接纱线开始承担主要应力，应力的增大速率越来越大，这个过程中吸收的能量可称为纱线承载容量。受经向拉伸时，由于织物初始状态下在经向的收缩变形很小，使得结构变形容量很小，但织物经向的纱线取向性很高，使得其经向的纱线承载容量远大于纬向的纱线承载容量。由此可见，纱线承载容量对织物整体能量吸收性能的影响远大于结构变形容量，也就是说，织物在受拉伸过程中的能量吸收主要受到纱线承载能力的影响，结构变形的影响相对较小。织物在某一方向上的纱线取向度越高，承载能力越强，则该方向上的能量吸收性越强，结构变形带来的能量吸收对于织物中该方向上整体的能量吸收性能影响微乎其微。

2.4 拉伸断裂损伤机制分析

织物的拉伸断裂损伤实物图如图7、8所示。可看出：受经向和纬向拉伸时，织物均不会形成平整的断裂截面，而是呈现不规则的锯齿状；受经向拉伸时，织物由一个损伤点断裂开始，然后在其受拉伸方向的整个受力范围内沿斜向传播，直至织物完全断裂；受纬向拉伸时，织物由一个损伤点断裂开始，然后在其受拉伸方向小范围内斜向传播，直至织物完全断裂。

图7 织物经向拉伸断裂实物图照片Fig.7 Fracture profile pictures of samples under warp-direction stretch. (a) Sample 1#; (b) Sample 2#; (c) Sample 3#; (d) Sample 4#

图8 织物纬向拉伸断裂实物图照片Fig.8 Fracture profile pictures of samples under weft-direction stretch. (a) Sample 1#; (b) Sample 2#; (c) Sample 3#; (d) Sample 4#

织物受经向和纬向拉伸时的结构变形及断裂易发生处如图9所示，虚线处均为断裂易发生处。可以看出：织物受经向拉伸时，其断裂更易于沿着拉伸方向传播，形成斜度较大的断裂截面；织物受纬向拉伸时，其断裂更易于沿着垂直于拉伸方向传播，形成斜度较小的断裂截面；该结构的断裂易发生处与织物六角网眼结构中的经缎组织相对应，即织物六角网眼结构在经缎组织部分受拉伸更易发生断裂。

图9 受单向拉伸结构断裂发生示意图Fig.9 Fabric structure deformation under uniaxial stretch. (a) Under warp-direction stretch; (b) Under weft-direction stretch

3 结 论

对基于旋转六边形结构的4种经编间隔织物进行经向和纬向的泊松比值的测量和准静态拉伸测试，对比分析织物的泊松比值与受单向拉伸时能量吸收性能的关系，并就结构织物的断裂截面形态总结了织物受单向拉伸时断裂发生及传播的规律。

1)初始状态下在经向和纬向同时存在收缩，织物才可具备负泊松比，单向收缩并不能产生负泊松比；若织物在一个方向具备负泊松比，则该织物其他方向上不一定具备负泊松比；织物初始状态下在经向和纬向的收缩变形越明显，其负泊松比结构就越明显。

将石油安全评价指标数据矩阵X=(xij)m×n各个数据带入到相应的白化权函数中，运用式(8)计算得出各指标的灰色统计数，见表7。然后，根据表7中的灰色统计数及式(9)，可得出石油安全模糊评价权矩阵R。

2)若织物在一个方向上具备负泊松比，则其受该方向拉伸时的能量吸收性能与不具备负泊松比的织物相比更强，但对该织物受其他方向拉伸时的能量吸收性能没有明确影响；织物受单向拉伸时总体的能量吸收性能主要由结构变形容量和纱线承载容量决定，其中纱线承载容量起决定性的作用，结构变形容量的影响微乎其微。

3)变形六角网眼间隔织物的断裂首先发生在经平组织转换到经缎组织的部分，受经向拉伸时断裂主要沿着拉伸方向传播，受纬向拉伸时断裂主要沿着垂直于拉伸方向传播；不管是经向拉伸还是纬向拉伸，织物的拉伸断裂截面均不平整，而是呈不规则的折线锯齿状或单向斜线形。

FZXB

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