徐婉麗， 常玉萍， 馬丕波,2

(1. 江南大學 教育部針織技術工程研究中心， 江蘇 無錫 214122； 2. 生態(tài)紡織教育部重點實驗室(江南大學)， 江蘇 無錫 214122)

近年來，利用紡織技術編織的負泊松比材料越來越受重視[1]。負泊松比紡織材料具有特殊的單元結(jié)構(gòu)，因此表現(xiàn)出很多不同于傳統(tǒng)紡織材料的優(yōu)異性能[2]，如力學性能、抗壓痕性能、抗剪切性能、斷裂韌性、同向曲率、能量吸收性能等[3]。負泊松比紡織材料作為一種新型材料，廣泛應用于防護、汽車工業(yè)、航天航空以及國防等領域[4]。

經(jīng)編間隔織物是指在雙針床拉舍爾經(jīng)編機上編織的一種三維立體織物，它是由在前后針床上形成的2片相互獨立的織物以及在2片織物之間起連接和支撐作用的間隔絲構(gòu)成[5]。由于其獨特的結(jié)構(gòu)，經(jīng)編間隔織物具有良好的抗壓彈性、透氣透濕性、吸音隔音性、結(jié)構(gòu)整體性以及可成形性等[6]，因此，經(jīng)編間隔織物在成型鞋材、時裝面料、建筑增強材料、包裝材料等方面有著廣泛的應用[7]。

目前對具有負泊松比效應的經(jīng)編間隔織物在低速沖擊載荷下的能量吸收性能的研究還較少[8-9]。為此，本文針對負泊松比經(jīng)編間隔織物在低速沖擊下的能量吸收性能進行研究，分別分析了不同負泊松比經(jīng)編間隔織物在相同初始沖擊能量下的能量吸收性能，以及同種負泊松比經(jīng)編間隔織物在不同初始沖擊能量下的能量吸收性能。

1 實 驗

1.1 試樣制備

設計了5種具有不同負泊松比效應的經(jīng)編間隔織物試樣，其中1#～4#織物僅GB4的墊紗數(shù)碼不同，1#試樣與5#試樣僅送經(jīng)量不同，試樣所用原料規(guī)格與墊紗組織設置以及送經(jīng)量設置分別如表1、2所示。經(jīng)編間隔織物在RD7/2-12EN型拉舍爾型經(jīng)編機上編織完成。下機后經(jīng)編間隔織物的厚度為3.5 mm，橫密為10縱行/cm，縱密為12橫列/cm。

負泊松比經(jīng)編間隔織物試樣具有負泊松比效應的原理是：在典型的經(jīng)編六角網(wǎng)眼間隔織物的基礎上添加編鏈和缺墊組織，使得原來結(jié)構(gòu)較為規(guī)整的經(jīng)編六角網(wǎng)眼間隔織物由于受力不勻而產(chǎn)生歪斜，當受到拉伸作用力時，原本歪斜的六角網(wǎng)眼就會發(fā)生旋轉(zhuǎn)變形，使六角網(wǎng)眼受力變形后膨脹變大，從而使經(jīng)編間隔織物具有一定的負泊松比效應[10]。采用R-3型定型烘焙機對負泊松比經(jīng)編間隔織物進行熱定型整理(定型溫度為150 ℃，定型時間為120 s)，使得原本就傾斜的六角網(wǎng)眼織物獲得更為顯著的歪斜效應。在拉伸時，六角網(wǎng)眼受力變形程度更大，經(jīng)編間隔織物的負泊松比效應更加明顯[11]。

表1 原料規(guī)格及墊紗組織設置Tab.1 Material specification and guide bar setting

表2 送經(jīng)量設置Tab.2 Let-off setting

1.2 泊松比值測定

分別對5種試樣截取適當?shù)拈L度，用夾子將織物的縱向固定，保證其初始狀態(tài)下基本不受縱向力的作用。設定織物初始狀態(tài)下縱向?qū)挾葹?0 mm，橫向?qū)挾葹?0 mm，再將夾子沿縱向向下移動，且每次增加1 mm，即縱向應變依次按照初始寬度的2%遞增，同時測量織物正中間橫向2點間的水平距離，從而得到織物載荷方向(即縱向)的應變與垂直于載荷方向(即橫向)的應變，再根據(jù)泊松比的定義式分別計算出所有試樣的泊松比值[11]。每塊試樣測試5次，結(jié)果取平均值。試樣1#～5#的泊松比值分別為-0.375、-0.437、-0.513、-0.614、-0.625。

1.3 沖擊性能測試

根據(jù)ASTM D7136 /D7 136 M—2012 《纖維增強聚合物基體復合材料抗落錘撞擊損失測量的標準試驗方法》，采用美國英斯特朗公司生產(chǎn)的Instron Dynatup 9250HV型沖擊試驗機對織物進行低速沖擊實驗，測試條件為：溫度(25±2)℃,相對濕度(65±2)%。該機器的沖擊頭呈半球形且直徑為12.5 mm，在沖擊頭的上方連接有一個壓力傳感器，其可承受的最大載荷為22.4 kN。沖擊測試方案如表3所示，其中每種試樣均測試5次，測試結(jié)果取平均值。

表4 沖擊實驗方案Tab.4 Parameters of impact tests

2 結(jié)果與討論

2.1 沖擊過程分析

對負泊松比經(jīng)編間隔織物試樣進行低速沖擊實驗，整個沖擊過程包括3個階段：第1個階段是重錘接觸試樣前，落錘作自由落體運動，將重力勢能轉(zhuǎn)換為動能；第2個階段是試樣被沖擊階段，落錘首先與織物試樣相接觸，落錘加速度減小，落錘落至最低點時完成沖擊，落錘速度為零，織物對落錘沖擊的能量吸收主要發(fā)生在這個階段；第3階段是沖擊結(jié)束階段，落錘被織物試樣彈離，剩余能量再次轉(zhuǎn)換為落錘的動能和勢能等。與此同時，處于上升運動狀態(tài)的落錘再次下落且被防二次沖擊裝置擋住[12]。

2.2 沖擊載荷-時間曲線

5種負泊松比經(jīng)編間隔織物試樣在7.013 J的初始沖擊能量下的沖擊載荷-時間關系曲線如圖1所示?？芍?，在沖擊過程中，沖擊載荷-時間曲線的斜率逐漸增大，且織物試樣的耐沖擊時間從長到短依次為試樣5#→4#→3#→2#→1#。其中，試樣4#和試樣5#的沖擊時間較長。5種織物試樣的沖擊載荷峰值從大到小分別為試樣4#→3#→5#→2#→1#。結(jié)合測定的負泊松比值可得出：織物的負泊松比性能越好，織物耐沖擊時間越長，耐沖擊性能越好。試樣3#、4#、5#的沖擊載荷峰值都明顯高于試樣1#、2#，可推斷較好的負泊松比性能可帶來較高的耐低速沖擊載荷峰值。

圖1 相同初始沖擊能量下5種試樣沖擊載荷-時間曲線Fig.1 Impact load and time curve of five samples under same initial impact energy

試樣3#在3.125、7.013、12.500 J的初始沖擊能量下的沖擊載荷-時間曲線如圖2所示。可看出，在沖擊的初始階段，12.500 J初始沖擊能量下的試樣所受到的沖擊載荷-時間曲線斜率最大，其次是7.013 J初始沖擊能量下的試樣，3.125 J初始沖擊能量下的曲線斜率最小，但織物在3種不同初始沖擊能量下的沖擊載荷峰值相差不大。由此可見，初始沖擊能量越大，試樣所受到的沖擊載荷的增速越大，但初始沖擊能量對織物沖擊載荷峰值的影響不大。從圖2還可得出，當沖擊結(jié)束時，3.125 J初始沖擊能量下織物試樣的耐沖擊時間最長，12.500 J初始沖擊能量下的最短，而7.013 J初始沖擊能量下的介于二者之間；故初始沖擊能量越大，織物的耐沖擊時間越短，耐沖擊性能越差。

圖2 不同初始沖擊能量下3#試樣的沖擊載荷-時間曲線Fig.2 Impact load and time curve of sample 3#under different initial impact eneries

2.3 沖擊載荷-位移曲線

5種負泊松比經(jīng)編間隔織物試樣在7.013 J初始沖擊能量下的沖擊載荷-位移曲線如圖3所示。在沖擊過程中，沖擊載荷-位移曲線的斜率逐漸變大，且織物試樣從開始受到?jīng)_擊到?jīng)_擊結(jié)束，最大位移從大到小分別為試樣4#→5#→3#→2#→1#，試樣的載荷峰值從大到小分別是試樣4#→3#→5#→2#→1#。可得出，具有較好負泊松比性能的織物在低速沖擊下，會發(fā)生相對較大的位移。同樣的，在整個低速沖擊過程中，負泊松比性能較好的織物試樣可承受的最大沖擊載荷普遍高于負泊松比性能較差的織物。

圖3 相同初始沖擊能量下5種試樣沖擊載荷-位移曲線Fig.3 Impact load and displacement curve of five samples under same initial impact energy

試樣3#在3.125、7.013、12.500 J初始沖擊能量下的沖擊載荷-位移曲線如圖4所示?？芍涸?種不同的初始沖擊能量下，試樣3#從開始受到?jīng)_擊到?jīng)_擊結(jié)束，位移極限值相差不大，均為15.5 mm左右；試樣3#的沖擊載荷峰值在初始沖擊能量為3.125 J時相對較小，但與初始沖擊能量為12.500、7.013 J時的沖擊載荷相差不大，因此，初始沖擊能量的大小對織物在低速沖擊下的沖擊載荷峰值影響甚微。

圖4 不同初始沖擊能量下3#試樣的沖擊載荷-位移曲線Fig.4 Impact load and displacement curve of sample 3# under different initial impact energies

2.4 能量吸收-時間曲線

5種負泊松比經(jīng)編間隔織物試樣在7.013 J初始沖擊能量下的能量吸收-時間曲線如圖5所示。沖擊載荷-時間曲線下的面積即為織物試樣在整個低速沖擊過程中吸收的能量。由圖可知，試樣2#、3#、4#、5#的能量吸收曲線較為接近，這與4種織物的泊松比值差異不大有關?？椢锬芰课盏脑鲩L速率隨時間變化逐漸增大，即織物的能量吸收越來越快；且試樣3#、4#和5#在整個沖擊過程中的總能量吸收較高，而試樣1#、2#總能量吸收則相對較低。結(jié)合5種試樣的泊松比值可推斷：在低速沖擊下，經(jīng)編間隔織物的負泊松比值越大，織物在沖擊下的能量吸收性能越好，且隨著低速沖擊的發(fā)生，織物吸收能量的速率越來越快。

圖5 相同初始沖擊能量下5種試樣的能量吸收-時間曲線Fig.5 Energy absorption and time curve of five simples under same initial impact energy

在低速沖擊過程中，經(jīng)編間隔織物對沖擊能量的吸收過程為：當沖擊頭與織物試樣表面接觸時，沖擊頭的能量首先通過織物的結(jié)構(gòu)變形被吸收，其次通過織物的材料變形進行吸收，當2種變形均達到極限時，織物的能量吸收也達到極限，剩余的能量會轉(zhuǎn)換為沖擊頭向上的動能等。沖擊發(fā)生時，負泊松比經(jīng)編間隔織物的負泊松比結(jié)構(gòu)從沖擊點開始發(fā)生變形，折線形排列的旋轉(zhuǎn)六角網(wǎng)眼開始膨脹展開成普通的六角網(wǎng)眼，之后織物在沖擊方向和沖擊點附近均會產(chǎn)生壓縮效應，此時，沖擊點附近的織物局部密度陡然上升，織物試樣對能量的吸收也急劇上升。這也解釋了負泊松比性能較好的織物耐沖擊性能也更好的現(xiàn)象。

試樣3#在3.125、7.013、12.500 J初始沖擊能量下的能量吸收-時間曲線如圖6所示。當負泊松比經(jīng)編間隔織物受到這3種初始沖擊能量的沖擊時，盡管織物的能量吸收速率不同，但整個沖擊過程結(jié)束后，織物總體的能量吸收值相差不大，即初始沖擊能量的大小對負泊松比經(jīng)編間隔織物在低速沖擊下的能量吸收性能影響不大。

圖6 不同沖擊能量下3#試樣的能量吸收-時間曲線Fig.6 Energy absorption and time curve of fabric sample 3#under different initial impact energies

3 結(jié) 論

為研究負泊松比經(jīng)編間隔織物在低速沖擊下的能量吸收性能，本文對5種具有不同負泊松比效應的經(jīng)編間隔織物試樣進行了沖擊實驗，分別研究了不同負泊松比效應和不同初始沖擊能量對織物耐沖擊性能以及能量吸收性能的影響，得出如下結(jié)論：

1) 經(jīng)編間隔織物的負泊松比性能與織物對沖擊能量的吸收能力、織物的耐沖擊性能成正相關，即經(jīng)編間隔織物的負泊松比性能越好，織物在同等條件下可吸收的沖擊能量也越多，耐沖擊性能也越好。主要原因是經(jīng)編間隔織物的負泊松比結(jié)構(gòu)在受到?jīng)_擊載荷時會發(fā)生結(jié)構(gòu)展開變形，可吸收部分沖擊能量，同時也延長了織物的耐沖擊時間，使織物具有更大的沖擊位移極限值。

2) 不同的初始沖擊能量會影響負泊松比經(jīng)編間隔織物的耐沖擊性能和能量吸收速率，但對織物的可承受載荷、耐沖擊位移極限和能量吸收性能影響不大。初始沖擊能量越大，負泊松比經(jīng)編間隔織物的耐沖擊時間越短，耐沖擊性能越差。

FZXB