摘 要：負泊松比結構的紡織材料因其獨特的力學性能，展現(xiàn)出良好的抗剪切性、能量吸收性和斷裂韌性，因此在防護、傳感以及醫(yī)療領域具有潛在的應用價值。系統(tǒng)討論了國內外負泊松比結構紡織材料的研究成果，并闡述了其最新進展。首先介紹了幾種常見的負泊松比結構類型，并說明了這些結構如何在紡織材料中通過形變來產生拉脹效果；其次系統(tǒng)概述了負泊松比結構分別在一維、二維和三維紡織材料中的應用以及紡織品結構參數(shù)對負泊松比效果的影響；然后歸納整理了負泊松比結構紡織材料在不同領域的應用；最后針對負泊松比結構紡織材料在研究中面臨的問題和發(fā)展方向進行總結與展望，為推動負泊松比結構紡織材料的進一步發(fā)展提供參考。

關鍵詞：負泊松比結構；紡織材料；負泊松比結構材料；拉脹效應；結構形變

中圖分類號：TB34

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X（2025）04-0001-12

收稿日期：20240612

網(wǎng)絡出版日期：20240923

基金項目：國家自然科學基金項目（52273034）

作者簡介：楊瑞華（1981—），女，河南漯河人，教授，博士，主要從事新型紡紗方面的研究

泊松比的概念最早在1829年由法國科學家Evans^［1］提出，是描述材料單向受力時橫向變形與縱向變形關系的物理常數(shù)。當一般傳統(tǒng)材料被拉伸時，垂直拉伸方向會產生收縮即正泊松比效應；而新型負泊松比結構材料則與之相反，當其受到某一方向作用力時，垂直于作用力方向會產生膨脹，這種材料也稱為拉脹材料。負泊松比結構材料不僅具有獨特的結構特點，而且其抗剪切性能、能量吸收性能、斷裂強度都優(yōu)于傳統(tǒng)材料，受到拉伸載荷時橫向膨脹（壓縮載荷橫向收縮）能夠有效地減緩外力沖擊，具有良好的抗沖擊能力^［2］。

自然界中也存在著天然負泊松比材料但并不多見，例如黃銅礦以及人體關節(jié)處的皮膚，這些天然材料的負泊松比效應大多是由微觀結構引起的^［3］。20世紀80年代，Lakes^［4］首次提出了人造負泊松比結構材料——具有內凹結構的負泊松比聚氨酯泡沫。此后，人造負泊松比結構的材料飛速發(fā)展，廣泛應用于傳感器^［5］、過濾器^［6］、紡織材料^［7］、人工假體^［8］等多個領域。

紡織材料的制作方式靈活多變，通過合理的紗線和織物設計能夠巧妙地與負泊松比結構相結合而產生拉脹效應。同時，紡織材料觸感柔軟且貼合度高，能夠更好地發(fā)揮出負泊松比效應抵御沖擊的優(yōu)勢。基于以上特點，市面上生產了大量負泊松比結構的紡織材料，如運動鞋底及鞋面^［9］、醫(yī)用綁帶^［10］、背包肩帶^［11］等。為了推動拉脹紡織材料的進一步發(fā)展，許多學者致力于探究如何在紡織品中獲得更加顯著、穩(wěn)定的拉脹效應。為闡明負泊松比結構紡織材料的研究進展，本文分別從一維、二維和三維紡織材料的角度入手進行介紹，從結構的方向來分析各種拉脹織物的拉脹原理，總結負泊松比結構紡織材料現(xiàn)存問題以及發(fā)展方向，以期為相關研究提供參考。

1 負泊松比結構

大量研究發(fā)現(xiàn)，負泊松比的產生機理與材料自身的尺度無關，它既可以是材料表現(xiàn)出的宏觀效應也可以是材料內部展現(xiàn)的微觀性質^［12］。許多學者建立了一系列結構模型來解釋負泊松比產生的機理，如內凹結構^［13］、旋轉結構^［14］、螺旋結構^［7］等。

1.1 內凹結構

1982年Gibson等^［13］對二維蜂窩結構進行了改造并首次提出了二維內凹六邊形蜂窩結構，如圖1（a）所示。當對該結構施加橫向拉力時，結構中的斜桿受力后使內凹角展開從而導致結構的縱向寬度增加。然而，具有內凹形狀的結構并不一定會產生負泊松比效應，只有當結構中的內凹角足夠大即折疊程度足夠高時才會產生負泊松比效應^［15］。此外，通過對結構的設計還能改變常規(guī)內凹蜂窩結構的力學特性，許多學者基于內凹六邊形的變形原理進行了改良，研究出了其他內凹結構，如星型^［16］、雙箭頭型^［17］和曲邊內凹蜂窩型^［18］等，結構示意圖如圖1所示。單元之間通過不同的連接方式還可以構成三維內凹結構，三維內凹結構能夠在多個應力方向展現(xiàn)出拉脹效應。Evans等^［19］首次提出了三維正交內凹負泊松比結構，后續(xù)研究發(fā)現(xiàn)支撐體的彎曲對負泊松比效應起著決定性作用^［20］。

1.2 旋轉結構

旋轉結構的形成采用了剛性和半剛性旋轉模型，組成該結構的剛性和半剛性單元通過鉸鏈、彈簧或兩者的任意組合在頂點處相互連接。當結構受到外力作用時，剛體繞頂點進行旋轉，從而導致結構整體的膨脹，圖2為旋轉正方形結構在不同旋轉角α時的結構示意圖^［14］。該結構模型既可以看作是二維平面結構也可以看作三維結構在某一方向上的投影。最早提出的旋轉結構中的剛體為正方形，后來逐漸將擴展為矩形、平行四邊形、三角形等^［21］。一般的負泊松比結構維持拉脹狀態(tài)需要外力的持續(xù)作用，Rafsanjani等^［22］受到古代幾何的啟示開發(fā)出了一種具有雙穩(wěn)態(tài)負泊松比結構的力學超材料，其優(yōu)點在于當外力消失后材料仍能維持拉脹狀態(tài)。

1.3 螺旋結構

螺旋結構是由剛性包纏紗和彈性芯紗組成的一種具有負泊松比效應的包纏紗結構^［7］。當紗線未受外力作用時，芯紗以伸直狀態(tài)被包纏紗均勻螺旋包裹，如圖3（a）所示；而當紗線受到拉伸時，由于兩組分之間模量和直徑的差異，隨著力的施加芯紗和包纏紗逐漸產生位置和狀態(tài)的互換，如圖3（b）所示。由于芯紗的直徑大于包纏紗，當兩組分轉換時拉脹紗的直徑也隨之增大。受限于變形原理，后續(xù)對該結構的研究仍然局限于一維紗線的形態(tài)尚未拓展至三維結構。

2 一維負泊松比紡織材料

通過設計紗線的內部結構可以得到負泊松比紗線，最早提出的負泊松比紗線為包纏紗結構。隨后，學者們以包纏紗結構為基礎進行了改良與優(yōu)化，以期開發(fā)出結構穩(wěn)定、負泊松比效應顯著、可規(guī)模化生產的負泊松比紗線。

2009年，Miller等^［7］采用高彈纖維為芯紗和高模量纖維為包纏紗首次成功研制了負泊松比紗線，所得紗線的最大負泊松比值可達-2.1。然而當紗線兩端未被夾持時包纏組分會從芯紗退繞導致拉脹結構消失。為了解決這一問題，許多學者從紗線的結構和制備方式上對紗線進行了改進，如表1所示。Zhang等^［23］在兩組分螺旋拉脹紗的基礎上增加了一層橡膠保護套，以克服紗線失去張力時包纏組分的滑動和纏繞角度變化等問題。Liu等^［24］開發(fā)了一種由一根柔性芯紗和兩根剛性包覆紗組成的交錯螺旋拉脹紗，其穩(wěn)定性和拉脹效果均優(yōu)于使用相同材料和初始包纏角的拉脹紗。

此外，改進制備方法也能夠優(yōu)化成紗結構。Zhang等^［25］開發(fā)了一種新型螺旋拉脹紗擠出工藝，該工藝將包纏組分擠壓成型并使其螺旋纏繞在芯紗表面，包纏組分保持纏繞形態(tài)冷卻定形從而顯著提高拉脹紗線的結構穩(wěn)定性。Chen等^［26］采用空心錠系統(tǒng)來制備結構穩(wěn)定的螺旋拉脹紗，與環(huán)錠紡制備的拉脹紗相比這種拉脹紗扭應力低不易脫散。郭晨宇等^［27］在傳統(tǒng)雙長絲螺旋拉脹紗的基礎上增加了短纖紗組分，在一定程度上限制了拉脹紗的解捻。Ge等^［28］開發(fā)了編織結構的拉脹紗線，編織機制備的拉脹紗線可以通過圓盤轉速與卷繞管的轉速來控制紗線扭轉速度與程度從而控制拉脹紗線的殘余扭矩。

為了獲得更優(yōu)異的拉脹效應，Bhattacharya等^［29］發(fā)現(xiàn)兩組分紗線之間如果模量差異過大則會導致包纏紗嵌入芯紗，從而對拉脹效應產生負面影響。Du等^［30-31］發(fā)現(xiàn)芯絲與包纏絲的直徑比越大、包纏絲的拉伸模量越大、包纏角越小，拉脹效應就越明顯。因此，組分間模量和直徑比差異及包纏紗的初始螺旋角是螺旋拉脹紗的重要結構參數(shù)^［32］。對于編織制成的拉脹紗線，當其具有較低的初始螺旋角、較高的初始編織角和較大的編織紗直徑時，拉脹性能更為優(yōu)越^［33］。此外，使用較大模量的包纏紗編織具有較高彈性紗線時會產生更強的拉脹效應，隨著編織紗和編織速度增加，拉脹紗的負泊松比效果逐漸減弱^［34-35］。

基于上述研究可知，學者們對負泊松比紗線的結構和參數(shù)進行了優(yōu)化，從而賦予其良好的拉脹性能。然而，負泊松比紗線在實際應用中仍面臨諸多挑戰(zhàn)：1）螺旋纏繞的特殊結構使得拉脹紗的不同組分之間產生殘余扭矩。當外界握持力消失時紗線頭端發(fā)生解捻，進而使負泊松比結構消失，這對其實際使用產生了不利影響。目前的改善方法尚未從根源上解決該問題。2）拉脹紗的拉脹效應依賴于外界施加的應力，因此，如何賦予拉脹紗自驅動特性成為亟待突破的瓶頸。利用濕敏、溫敏等材料制備的拉脹紗有望生成新穎且具有特殊功能的新材料，從而大幅拓寬拉脹紗的應用范圍。

3 二維負泊松比結構紡織材料

目前，實現(xiàn)織物產生負泊松比效應有兩種方式：一是選擇具有負泊松比特性的紗線織成織物；二是使用普通紗線并通過合理的紗線排列方式織造出具有負泊松比效應的二維織物。二維負泊松比結構材料是通過負泊松比單胞（元）結構在X、Y軸方向周期性重復排列而成，而無論是機織物還是針織物都是由紗線按照周期循環(huán)排列所組成，與二維負泊松比結構材料具有相似性。

3.1 二維針織負泊松比結構材料

3.1.1 經編結構

受到螺旋拉脹紗的啟發(fā)，Ugbolue等^［36］使用編鏈和襯緯紗構建了經編拉脹結構，如圖4（a）所示。當紗線沿軸向拉伸時，襯墊紗在外力作用下伸直從而導致線圈傾斜整體直徑增大達到拉脹效果。隨后，Ugbolue等^［37］又通過改造傳統(tǒng)的六角網(wǎng)眼結構設計出了一種負泊松比經編結構，如圖4（b）所示。紗線種類、編鏈橫列數(shù)和應變程度對該織物的拉脹效應均有影響，其中紗線種類的影響程度最大。

雙箭頭負泊松比結構是基于內凹結構改變而得到的，如圖4（c）所示。Alderson等^［38］對針織結構進行重組編織出了雙箭頭結構的拉脹織物，該織物沿經向±45°的方向拉伸時負泊松比值最大。Ma等^［39］開發(fā)了基于旋轉六邊形結構的經編織物，基本結構如圖4（d）所示，當橫向或縱向拉伸時，該織物能夠恢復到原始的對稱六邊形形狀，并且隨著旋轉程度增加，該織物結構會更加緊密并表現(xiàn)出更優(yōu)越的拉脹性能。

3.1.2 緯編結構

與經編機和大圓機相比，橫機具有更高的工藝靈活性能夠制造更多樣的織物結構?；谪摬此杀冉Y構，Hu等^［40］使用橫機設計并織造了幾種緯編拉脹織物，實物圖如圖5所示。首先，Hu利用橫機的分編能力，沿橫列方向連續(xù)編織各個矩形單元，并在頂點處連接將其連接，從而形成旋轉結構的拉脹織物。然而，矩形單元在施加應力時會發(fā)生變形，并且穿過矩形單元的紗線限制了矩形的自由旋轉，導致實際負泊松比值與理論值之間存在顯著差異。隨后，Hu又基于內凹結構設計了兩種拉脹織物。第一種是真內凹結構，利用移床和引塔夏技術織造而成。然而，由于線圈的限制使得其斜桿的變形有限，拉脹效果不明顯且與計算值相差較大。第二種是假內凹結構，與前者不同該織物為緊密結構，它是利用織物背面彈性浮線的收縮實現(xiàn)橫桿的傾斜。

3.2 二維機織負泊松比結構材料

與針織物相比，機織物在受到外力作用時織物內的紗線不易因外力而產生滑移變形，其結構在拉伸形變過程中表現(xiàn)出更高的穩(wěn)定性。此外，拉脹紗在織物中伸直排列時能產生即時的、良好的拉脹效應。因此，相較于針織物的線圈結構，機織更能開發(fā)出拉脹紗所制織物的理想負泊松比效應。Gao等^［41］用具有不同包纏角的拉脹紗作為緯紗，尼龍6，6作為經紗織造平紋機織物。通過實驗和有限元分析，他們發(fā)現(xiàn)織物在平面內的拉脹效果很小，但平面外拉脹效果明顯。當織物具有較長的浮絲長度、較小的經紗直徑以及較低的經紗拉伸模量時會產生較好的拉脹效果^［42］。

普通紗線也可以通過交織規(guī)律的變化制備機織拉脹織物。當織物下機時會產生一定程度的織縮，織縮的程度取決于織物組織中浮線的長度和緊密程度。只要合理運用織縮的效果就能在機織物中形成內凹結構^［43-44］和之字形折疊結構^［45］，從而產生負泊松比效應如圖6所示。Khan等^［46］開發(fā)了6種不同的二維拉脹機織物，并對其熱舒適性、機械性能和拉脹性能進行了測試分析。結果表明，浮線長度較長且經緯紗交織點少的織物展現(xiàn)出良好的拉脹性能、透氣性能和拉伸性能但其吸濕性較差。

綜上所述影響二維負泊松比結構織物拉脹效應的因素有：1）組織結構：浮線的長度與織物的拉脹效果呈正相關，浮線越長織物的拉脹效果越顯著；2）紗線特性：當使用拉脹紗為緯紗時，拉脹紗的包纏角越小，經紗模量越低且直徑越小，織物的拉脹效應越明顯。在設計和制造二維負泊松比結構織物時，需要仔細考慮和評估紗線特性、織物結構設計等因素，以實現(xiàn)材料拉脹性能的最優(yōu)化。由于二維尺度的限制，這類織物產生的負泊松比效應大多產生于平面內，尤其對于緯編織物，其負泊松比效應的實現(xiàn)往往以犧牲強度和剛度為代價，而由此帶來的負泊松比效應的優(yōu)勢不足以彌補力學性能的損失。因此，合理利用二維負泊松比結構織物的優(yōu)點同時規(guī)避缺點對于其發(fā)展至關重要。

4 三維負泊松比結構紡織材料

與一維和二維負泊松比紡織材料不同，當沿著某一方向對三維織物施加外力時，負泊松比效應不僅可以在織物的平面內或平面外產生并且可以存在于單個或多個方向上，這種特殊的拉脹效應給三維負泊松比織物帶來了廣闊的應用前景。

4.1 三維針織負泊松比結構材料

4.1.1 經編結構

三維經編拉脹材料是在傳統(tǒng)經編間隔織物的基礎上改進制備的。傳統(tǒng)的經編間隔織物由中間間隔紗連接兩個織物面構成，不具備拉脹特性。為賦予其拉脹特性，通過使用幾何結構學者們設計了以V形排列的平行四邊形平面幾何形狀。每個平行四邊形被相鄰平行四邊形的連接點分為六條邊，如圖7所示^［12］。該織物在3個方向上均表現(xiàn)出拉脹特性，沿緯向拉脹效果最好，沿徑向拉脹效果最差。此外，Wang等^［47-48］建立幾何模型和半經驗方程來探究幾何參數(shù)對織物泊松比的影響，當沿橫列方向延伸時，泊松比僅受長邊與垂線的夾角（α）影響，而對于具有特定長邊長度和短邊長度的織物，當沿縱行方向延伸時，泊松比僅受短邊與垂線夾角（β）影響。三維經編拉脹織物開發(fā)的初衷是作為護膝或頭盔，所以對其能量吸收性能進行了探究，織物在單軸拉伸下的整體能量吸收由結構變形能力和紗線承載能力決定^［49］。

Chang等^［50］將內凹六邊形和旋轉結構引入三維經編間隔織物，并對織物在橫向和縱向的拉脹性能進行了測試與分析，如圖8所示。對于具有內凹六邊形的三維經編間隔織物，采用雙鏈式線跡可在橫向拉伸時產生拉脹效應;采用較高剛性的非彈性嵌體可在縱向拉伸下產生拉脹效應。此外，以彈性鏈式線跡為基礎的旋轉方結構拉脹間隔織物在較小的拉伸應變范圍內展現(xiàn)出拉脹效應。

4.1.2 緯編結構

緯編三維負泊松比織物的結構設計主要基于折疊結構，亦稱為折紙結構^［51］。折疊結構的種類繁多，包括平行四邊形折疊結構、矩形折疊結構和條紋折疊結構等，形成結構的線圈排列如圖9所示。其中，平行四邊形折疊結構是最早應用于三維緯編拉脹織物的結構。

折疊結構在沿某一方向受到載荷時可以展開，通過組合正面線圈和反面線圈可以構建出折疊針織結構^［40］。在織造過程中織物處于平面狀態(tài)；然而，在織造完成后，正面線圈和反面線圈之間的結構不平衡會導致織物發(fā)生折疊^［52］。在該結構中織物的初始張角對拉脹效果的影響最為顯著，折疊更緊密的織物能夠實現(xiàn)更小的初始張角，并表現(xiàn)出更高的負泊松比值^［53］。Anas等^［54］研究了滌綸、棉、尼龍和腈綸四種材料各制備的3種緯編折疊負泊松比織物，探討了其機械性能、熱舒適性能以及負泊松比效應，如圖10所示。結果表明，除了尼龍制備的織物外，其余織物均展現(xiàn)出負泊松比特性。此外，這些織物的負泊松比受多種因素的影響，包括線圈排列、材料類型、紗線表面摩擦、紗線表面滑移和針織結構幾何形狀。研究還發(fā)現(xiàn)，尼龍和滌綸紗線制成的拉脹織物在透氣性方面優(yōu)于腈綸和棉，而腈綸拉脹織物則在耐熱性方面表現(xiàn)出更佳的性能。

基于平行四邊形結構的啟發(fā)，研究者們開發(fā)出了一種具有相似結構的管狀織物，展現(xiàn)出優(yōu)異的拉脹特性^［55］。在對管狀織物進行拉伸時，所需打開的褶皺數(shù)量越多，所需施加的應力也越大，同時拉脹效果也顯著提升，最大拉伸載荷主要與原料種類有關，而織物結構對其影響相對較小^［56］。

4.2 三維機織負泊松比結構材料

三維機織物是通過接結紗將多層織物緊密結合而形成的。接結紗將不同層的織物捆綁在一起使得三維機織物具備優(yōu)良的抗剪切性、穩(wěn)定性和耐沖擊性。因此，三維機織物在復合材料領域中備受青睞，而引入拉脹效應可以進一步提高其機械性能和能量吸收性能。

Khan等^［57］發(fā)現(xiàn)，當?shù)亟M織的浮線和接結紗長度相等且達到最大時，三維機織物表現(xiàn)出更優(yōu)越的拉脹效果。隨著地組織和接結紗浮線長度差異的增大材料的拉脹效應降低。Ullah等^［58］開發(fā)了3種類型的拉脹三維機織物，包括經紗聯(lián)鎖、緯紗聯(lián)鎖和雙向聯(lián)鎖結構。其中，經紗聯(lián)鎖結構拉脹性能最好，而雙向聯(lián)鎖結構的拉脹性能最差，經紗聯(lián)鎖結構表現(xiàn)出更高的剛度和撕裂強度，織物的拉脹結構對三維機織物的機械性能具有顯著影響。

當加入內凹六邊形結構時，三維機織物的拉脹效果得以進一步增強^［59］。通過引入彈性紗線來代替非彈性緯紗，結構的穩(wěn)定性得以提高，如圖11（a）所示。在拉伸張力下，如圖11（b）所示，經紗將嘗試變直，并最終推動整列接結紗，從而實現(xiàn)沿織物寬度方向的負泊松比效果。通過建立模型發(fā)現(xiàn)，接結紗的抗壓剛度對織物的負泊松比效果具有影響^［60］。

綜上所述，紗線的特性對三維拉脹織物的能量吸收性能和拉脹性能具有顯著影響。部分長絲由于其無捻特性和柔軟的性質，所制備的折疊結構織物無法實現(xiàn)收縮從而無法展現(xiàn)拉脹效應。此外，三維拉脹織物的性能高度依賴織物結構的設計以及紗線的力學性能，經紗聯(lián)鎖結構的三維機織物更適用于增強復合材料，而折疊結構的三維針織物具有更好的服用性能但結構穩(wěn)定性較差。三維拉脹針織物通常在沿縱行和橫列方向拉伸時均具有拉脹效應但當單元尺寸變化時負泊松比值不同。三維緯編拉脹織物紗線材料選擇范圍廣、生產便利、穿著舒適性高，但是其強度、防護性能以及結構穩(wěn)定性不如經編間隔拉脹織物和三維機織物，將兩者優(yōu)點相結合開發(fā)出新織物將是推動三維拉脹織物發(fā)展的有效途徑。

5 應用

5.1 傳感領域

電容式應變傳感器的靈敏度提升一直受到限制，主要是由于傳感器的電響應由電容器的幾何形狀和材料的電響應決定^［61］。大部分材料在拉伸時表現(xiàn)出正泊松比，這導致電容器元件的面積增加始終小于施加的應變量，而負泊松比結構的紡織材料很好地彌補了這一缺點。Cuthbert等^［61］將螺旋拉脹紗制備成了電容傳感器，成功突破了傳感器靈敏度的極限。Hannigan等^［62］不僅利用螺旋拉脹紗的拉脹效應實現(xiàn)了比傳統(tǒng)電容式應變傳感器更高的靈敏度，還通過調整螺距來實現(xiàn)局部傳感。Wu等^［63］設計和制造了一種雙螺旋拉脹紗線傳感器并將其應用于手勢翻譯手套，該傳感器具有-1.5的泊松比、優(yōu)異的機械性能和快速的列車阻力響應性。其獨特的負泊松比結構增強了與人體的貼合性，并能夠將人體關節(jié)處的彎曲和伸展快速轉換為電信號。

5.2 醫(yī)療領域

由于大多數(shù)人體組織都表現(xiàn)出與負泊松比效應相似的特質，以負泊松比結構紡織材料為基礎的生物材料在醫(yī)學工程領域具有廣泛的應用^［64］。例如，采用負泊松比結構的智能繃帶能夠有效攜帶促進傷口愈合的藥物，隨著傷口的愈合和腫脹的消退，繃帶的孔隙最終會自行閉合從而停止藥物的釋放^［65］。當沿縱向拉伸緯編拉脹織物時，織物橫向尺寸會相應增加，這一特性與心臟的收縮機制相符，同時織物的橫向剛度高于縱向剛度，進一步模擬了天然心臟的生物力學特性^［64］。Deshpande等^［66］開發(fā)了兩種可吸收且具有負泊松比效應的聚己內酯緯編支架。這些支架通過增加總體積以及縱向拉伸時不發(fā)生橫向收縮來展現(xiàn)出其獨特的力學性，這種結構特點可以為骨骼肌再生的細胞生長提供定向的機械支撐從而在治療顱面畸形方面顯示出良好的應用前景。

5.3 防護領域

目前大部分的防護材料不僅堅硬而且笨重，而拉脹紡織材料則能夠在提供相同級別的保護的同時體積更小、重量更輕、觸感更柔軟^［67］。Szurgott等^［68］測試了拉脹平紋織物在丙烷-空氣混合條件下的爆炸能量吸收性能，結果表明拉脹織物通過彈性變形有效吸收了氣體爆炸所產生的壓力脈沖。拉脹紡織品可以實現(xiàn)同向彎曲曲率，這使得其更加貼合人體解剖學的曲面（例如護膝、頭盔）^［69］。三維拉脹經編織物能夠替代頭盔、護肩和護膝等防護裝備中的泡沫，織物表現(xiàn)出極好的貼合物體形狀的能力，并且在受到沖擊時具有更高的能量吸收率^［70］。Sun等^［71］使用Kevlar紗線制備了基于菱形網(wǎng)格結構的三維緯編拉脹織物，并測試了其準靜態(tài)載荷下的抗刺穿性，結果表明其性能優(yōu)于平紋緯編織物。以上研究結果表明，負泊松比結構的紡織材料具有向防護裝備發(fā)展的潛力。

6 總結與展望

本文介紹了由不同原材料、結構和生產方法制備的拉脹紗線、拉脹機織物和拉脹針織物，并總結了影響拉脹紗、拉脹機織物和拉脹針織物負泊松比值的關鍵因素，主要得出以下結論：

a）負泊松比結構紡織材料因其獨特的力學性質，在防護、醫(yī)療、傳感、體育等領域展現(xiàn)出廣闊的應用前景。然而，不同的應用場景對負泊松比的要求各不相同。對于拉脹紗線，其組分模量、直徑以及初始包纏角均會影響拉脹效應；對于拉脹織物，紗線的機械性能、排列方式及結構設計等因素同樣會對拉脹效應產生顯著影響。因此，亟需針對拉脹紡織品的力學性能進行系統(tǒng)的理論計算以及建立科學的數(shù)學模型，以便在制造產品時更加精準地滿足特定需求。

b）為了提高拉脹紡織品的性能以及使應用領域多元化，可以利用紡織品對所用材料的包容性，將負泊松比結構紡織品與具有熱管理、濕敏、自驅動性能等材料結合創(chuàng)造出更加新穎的材料，從而推動拉脹紡織材料向智能化發(fā)展。

c）由于負泊松比結構和紡織品的特性，負泊松比結構的紡織材料通常具有較高的孔隙率。這一特點既是優(yōu)點也是缺陷，孔隙的存在使得材料在滲透、過濾等應用中具備優(yōu)勢，但同時也可能降低其強度。因此，如何做到在保持拉脹效應的情況下彌補力學性能的損失需要進一步的探索。

綜上所述，關于負泊松比結構的紡織材料研究已相對豐富，并展現(xiàn)出廣闊的應用前景，但目前仍處于理論與實驗研究階段，能夠實際應用的產品仍十分稀少。所以，如何把負泊松比結構紡織材料的優(yōu)勢和實際應用的需求有機結合，成為當前發(fā)展的關鍵問題。

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Research progress of textile materials with negative Poisson's ratio

YANG Ruihua， HUA Yuzhu

（College of Textile Science and Engineering， Jiangnan University， Wuxi 214122， China）

Abstract： Textile materials with negative Poisson's ratio structures have excellent shear resistance， energy absorption， and fracture resistance， and they are cost-effective compared to other materials with negative Poisson's ratio structures. Therefore， the auxetic textile materials have aroused the interest of many scholars. To further promote the research and application of textile materials with negative Poisson's ratio， this article systematically introduces the different auxetic principles of one-dimensional， two-dimensional， and three-dimensional auxetic textile materials and summarizes their existing problems.

The research on auxetic yarns with a negative Poisson's ratio is based on the helical structure core-spun yarn， and the auxetic effect is achieved by the position exchange between components in the yarn. Its production equipment mainly includes ring spinning machines， weaving machines， hollow spindle， or simple wrapping mechanisms. Due to the influence of the helical structure， the end of the auxetic yarns is prone to untwisting and deformation， resulting in the loss of the auxetic effect. To solving this problem， it is necessary to develop more novel structures and preparation methods. There are two main ways for two-dimensional fabrics to produce auxetic effects： one is to weave fabrics with yarns with a negative Poisson's ratio; the other is to use ordinary yarns and choose appropriate yarn arrangement to weave two-dimensional fabrics with negative Poisson's ratio effect. As the yarn with a negative Poisson's ratio needs to be arranged straight in the fabric to produce a good auxetic effect， it is only applied in auxetic woven fabrics. In addition， knitted fabrics can achieve different negative Poisson's ratio structures through flexible yarn arrangement. The negative Poisson's ratio structures formed are mostly concave and rotating structures. Therefore， when designing and manufacturing two-dimensional fabrics with a negative Poisson's ratio， it is necessary to carefully consider and evaluate factors such as yarn properties and fabric structure design in order to develop optimal auxetic performance for the textile materials. Three-dimensional fabrics are very popular in composite materials， and the addition of auxetic effect further improves the mechanical properties and energy absorption performance of 3D fabrics. Different from the previous two textile materials， three-dimensional auxetic fabrics can produce auxetic effects both inside and outside the plane. Warp knitted three-dimensional auxetic fabrics typically use concave and rotating structures; the three-dimensional auxetic knitted fabric is mainly characterized by the folding structure; the three-dimensional woven auxetic fabric utilizes binder yarns to form a negative Poisson's ratio structure.

In recent years， despite the numerous studies on negative Poisson's ratio textile materials and their extensive potential applications， the exploration of these materials has remained focused on the basic protective properties. Few studies have successfully combined their advantages with other fields and put them into practical use. In addition， integrating the advantages of negative Poisson's ratio textiles into practical production for rational product design is also a bottleneck that needs to be overcome. For example， if special properties such as self-driving， sensing， and thermal management can be endowed to auxetic textiles， it will greatly broaden their development path. In summary， the development of auxetic textiles should focus on exploring new application areas and practical applications.

Keywords： negative Poisson's ratio structure; textile materials; negative Poisson's ratio structure materials; auxetic effect; structure deformation