负泊松比纺织材料的研究现状与应用前景*

冯含笑 魏孟媛 薛文良 汪玲玲

1.东华大学纺织面料技术教育部重点实验室，上海 201620；2.上海出入境检验检疫局，上海 200135；3.东华大学研究院，上海 200051

负泊松比纺织材料的研究现状与应用前景*

冯含笑1魏孟媛2薛文良1汪玲玲3

1.东华大学纺织面料技术教育部重点实验室，上海 201620；2.上海出入境检验检疫局，上海 200135；3.东华大学研究院，上海 200051

介绍负泊松比材料的加工工艺及发展过程，阐述纱线和针织物实现负泊松比效应的原理，对负泊松比纺织材料在服用、产业用及医用领域的应用做出展望，提出其发展亟需解决的问题。

负泊松比， 纺织材料， 实现方法， 前景

泊松比是指横向正应变与纵向正应变的比值的相反数。一般材料的泊松比为正值，即随着材料纵向应变的增加，材料横向呈收缩趋势。但自然界中存在极少数体现为负泊松比(即拉胀效果)的材料，如奶牛乳头部位的皮肤[1]15。随着科学技术的发展，负泊松比材料越来越受到科学家的重视，就纺织工程而言，对这一领域的探索正在进行。

1 负泊松比纺织材料的发展过程及实现手段

1.1 各类纤维结构模型的建立

1989年由Caddock等[2]建立的聚四氟乙烯(TPFE)纤维微胞结构模型(图1)可以展示负泊松比效应原理。该模型呈高度各向异性，由微胞凹向内和连接微胞的原纤通过屈曲的微胞加原纤构成。他们讨论了动、静两种状态下TPFE纤维的模量和性质，该材料成为了当时人工合成硬度最高的负泊松比材料[3]。如图1所示，在x轴方向未施加张力的情况下，TPFE纤维的微胞结构整齐而紧密地排列，随着张力的增大，微胞按图1中(a)～(d)的顺序逐渐抬起，导致其在y轴方向的宽度增加，形成负泊松比效应。

(a) 初始状态

(b) 沿原纤方向微胞错位抬起及截面膨胀

(c) 微胞解折叠继续膨胀

(d) 沿原纤方向微胞旋转及截面膨胀

2002年，Chirima等[4]成功研发出内凹负泊松比聚丙烯纤维，并建立了图2所示的微胞模型，描述了该纤维具有负泊松比效应的原理：当横向未施加张力时，微胞每一纵列间略微错位排列，连接微胞的纤维间成一定角度；当横向受到张力时，连接微胞的纤维趋于平行，微胞间的距离增大，其在纵向的截面增加，形成负泊松比效应。2005年，该团队又研发成功一种最优负泊松比聚丙烯薄膜工艺[5]。

图2 负泊松比聚丙烯纤维微胞模型

类似Magnox反应堆结构的内凹角结构也可赋予多边形结构单元负泊松比特性[6]。如图3所示，当材料受到张力作用时，板块抬起，径向截面增加；当材料被压缩时，板块错位内陷，径向截面减少。有异曲同工之妙的是图4所示的联锁六边形结构，通过对材料施加张力使其解旋而具有拉胀性质。还有类似旋转解折叠结构设计的模型(图5)，均可实现负泊松比效应。

图3 Magnox反应堆结构模型

图4 联锁六边形结构模型

图5 几种旋转解折叠结构模型

2010年，基于负泊松比效应的平面研究成果，Gaspar等[7]提出了三维均具有负泊松比效应的材料的理论模型。该模型的中心晶胞位于四面体的中心，8个顶点上各分布8个晶胞，以微原纤相连接。当材料受到拉伸作用时，可通过旋转解折叠来实现拉胀效应。这一模型的提出，成为了材料在三维方向实现负泊松比效应的理论基础。

与此同时，有关三维负泊松比材料的性能研究迅猛发展。Attard等[8]提出了3种互不相同的刚性立方体组成的三维负泊松比效应模型；Fozder等[9]通过增加原有模型的铺层数，在二维蜂窝结构和人字形结构模型的基础上，成功设计出三维负泊松比材料；Pasternak等[10]给出了宏观负泊松比杂化材料的结构模型。相比较而言，国外在这方面的技术水平远远领先于国内。张汝光[11]通过改变纤维铺设角度、铺层厚度等参数的手段，成功制备出负泊松比复合材料，国内在这一领域的其他成果不多。

1.2 负泊松比纱线的加工方式

Hook等[12]提出负泊松比纱线可以通过运用螺旋结构缠绕，形成包芯结构来实现：选用高弹性纤维作芯纱，其类似软链段而内旋折叠于纱芯部位，并以高模量纤维作包缠纱。如图6所示，在初始状态下，芯纱直径大于包缠纱直径，纱线总体直径较小；受到拉伸时，由于包缠纱的刚度较大、伸长小，而芯纱的弹性伸长大，因此包缠纱逐渐伸直，直至取代芯纱的位置，而芯纱则呈弯曲状态取代包缠纱的位置，即二者位置互换。因此，纱线横向膨胀即直径增大，形成负泊松比效应。

(a) 负泊松比纱线拉伸前结构

(b) 负泊松比纱线拉伸后结构

图6 负泊松比纱线拉伸前后结构示意

Wright等[13]采用聚酯和聚酰胺纤维，分别与橡胶丝组合制成负泊松比纱线，得到了影响纱线负泊松比效应的一些参数，并给出了一种简易的加工此种纱线的方式；2012年，胡红等[14]提出了一种负泊松比纱线结构及其制造方法，其由模量不同但组分相同的纱线间隔排列并加捻而制成。

1.3 负泊松比织物的加工方法

就目前而言，利用针织技术更容易实现负泊松比效应织物。Ugbolueg等[15]设计了由开口编链与嵌入纱结合构成的经编结构，当其纵向受拉伸时，嵌入纱趋于伸直，开口编链趋于弯曲并绕在嵌入纱的周围，形成负泊松比效应(图7)。

图7 开口编链与嵌入纱组合构成的经编结构示意

Liu等[16]基于内凹结构的特点，运用纬编技术及利用平针结构正反面搭配编织成折叠V字形针织物，其具有负泊松比效应，并证明了针织物的负泊松比效应与“V”形纹路的密集程度有关[17]。Miller等[18]设计的单向复合材料，由聚酯和碳纤维双螺旋负泊松比纱线复合而成，这种复合材料的泊松比大约可达到-6.8。

在三维纺织结构的加工中，用单丝作为间隔纱，间隔织物的2个表层由很多间隔纱连接在一起，形成经编结构，即目前新型的三维间隔针织物[19]48。在三维纬编针织物结构中，多采用正反线圈以锯齿型排列来形成折皱收缩，研究人员还发现了织物的负泊松比效应与织物的曲折程度成正比。胡红等[20]先后提出了几种不同的电脑横机织物结构及通过正反线圈按不同方式排列形成的织物。

2 负泊松比纺织材料的应用前景及 技术瓶颈

2.1 应用前景

2.1.1 服用纺织品

负泊松比纺织品在性能上有很多优点，较好的能量吸收性和贴合性能[19]49使其非常适用于生产运动中的关节保护用品如护膝、护腕等。由于负泊松比纺织品具备拉胀特性，当人体弯曲时，它能贴合人体皮肤变形而不产生过大压力，减少因摔倒而带来的冲击等伤害。目前市场上的护膝、护腕等保护用品大多由泡沫制成，其透气性欠佳，负泊松比纺织品可替代泡沫。此外，负泊松比纺织品可用于童装、孕妇装及文胸等。父母都喜欢让孩子穿着宽松的服装，具有负泊松比特性的织物可以在纵横向同时延伸，穿着舒适，利于孩子身体发育、成长。孕妇的肚子在妊娠期内会越来越大，所以孕妇装尤其要避免因织物弹性形变而带来的压迫感，负泊松比纺织品能自然地贴合在腹部且无压力。文胸要求贴合性好、透气、舒适，负泊松比纺织品的这些性能均比普通海绵好很多[19]49。

2.1.2 产业用纺织品

由于负泊松比纺织品表现出特殊的性能，如刚度增加、断裂韧性增强、抗压痕能力提高等[21]，被越来越多地运用于汽车、航空航天、医用等领域，如车用安全带(图8)。负泊松比车用安全带可有效减少其对佩戴者的压迫感，并在一定程度上降低车祸中因安全带造成的伤亡率。Chan等[22]发现在压应力作用下，负泊松比纺织材料会产生局部密度增大、弹性模量迅速提高的现象，因此它可作为缓冲材料，使用在车辆耐撞部件等元件上。此外，负泊松比纺织材料可用于制造儿童安全座椅。目前儿童安全座椅多采用海绵，使用负泊松比纺织材料不仅可以提高舒适度，安全性也有很大提升[19]50。负泊松比纺织材料在受压时，其截面会膨胀，因此它可用于制备消音器及防弹背心等[1]16。同时，在航空航天领域，颜芳芳等[23]将负泊松比结构材料应用于变体机翼，使得机翼的面内变形能力增强。有科学家指出，能利用负泊松比纺织材料引起极值分析白矮星和中子星地核反应和地震行为[24]。

图8 负泊松比车用安全带

2.1.3 医用纺织品

将具有拉胀特性的负泊松比纺织材料应用于人造血管，管壁会因血液流过时产生的切应力而变厚[19]49，耐用性大大提高。医用智能绷带也可利用负泊松比纺织材料制作，其作用原理如图9所示。此类绷带内含某种药剂，当伤口肿胀到一定程度时，绷带受到张力作用，其截面变大，药剂释放并作用于伤口，以缓解疼痛、肿胀；待伤口消肿后，绷带收缩，停止释放药剂。

图9 医用智能绷带作用原理

由此可见，负泊松比纺织品的应用前景十分广阔。

2.2 发展瓶颈

目前，负泊松比纺织品处于起步阶段，机遇与挑战并存：

(1) 国内外学者给出的模型并不能兼顾纺织品的其他性能，且拉胀效应的保持性还不能满足需求。

(2) 负泊松比纺织材料多为类蜂窝状微原纤多孔结构，这样的构型导致这种材料是一种比较软的物质，限制了它在工程方面的应用[1]18。

(3) 在使用某些方法制备负泊松比纺织材料的过程中，若欲增加强度等性能，则负泊松比效应会减弱[1]18，并且常规的纱线设计和生产方法不能大规模、大批量地生产具有负泊松比特性的纺织品。胡红等[14]给出的制备方法只适用于个例或特定的纱线设备，现在亟需探索一种适用性强的生产方法，以实现负泊松比纺织品的规模化生产。

3 结语

欲使纺织品具有负泊松比效应，可以通过设计纤维结构、纱线结构以及织物结构来实现，其遵循原则：纤维的微观结构一般是内凹的凹角结构和内旋的折叠结构；纱线的微观结构多为内旋的折叠结构；织物的微观结构单元与纤维的微观结构相似，为凹角结构和折叠结构[25]。

综上所述，负泊松比纺织材料的研发是一门新兴的学科，对这种材料的结构、形成、机理等都在探索中，实际应用还处在初步阶段。但可以预见，负泊松比纺织材料的潜在应用领域相当广泛，其特殊的拉胀性能可以满足各行各业的需求。在探索出一项稳定的纺织加工技术，以及与其他技术相结合运用的情况下，负泊松比纺织材料将会有更大的应用价值。

[1] 杨鸣波，阳霞，李忠明，等.负泊松比材料的结构与性能[J].高分子材料科学与工程，2001，17(6).

[2] CADDOCK B D， EVANS K E. Micro-porous materials with negative Poission’s ratios.Ⅰ.Microstructure and mechanical properties[J]. Journal of Physics D： Applied Physics，1989， 22(12)：1877-1882.

[3] EVANS K E，ALDERSON K L. The static and dynamic moduli of auxetic micro-porous polyethylene[J]. Journal of Materials Science Letters， 1992， 11(24)： 1721-1724.

[4] CHIRIMA G， RAVIRALA N， RAWAL A， et al. The effect of processing parameters on the fabrication of auxetic extruded polypropylene films[J]. Physica Status Solidi(b)， 2008， 245(11)： 2383-2390.

[5] 周铭.负泊松比纱线的结构成形及建模表征[D].上海：东华大学，2014.

[6] EVANS K E， ALDERSON A. Auxetic materials： Functional materials and structures from lateral thinking[J]. Advanced Materials， 2000， 12(9)： 617-628.

[7] GASPAR N， SMITH C W， ALDERSON A， et al. A generalised three-dimensional tethered-nodule model for auxetic materials[J]. Journal of Material Science， 2011， 46(2)： 372-384.

[8] ATTARD D， GRIMA J N. A three-dimensional rotating rigid units netword exhibiting negative Poisson’s ratios[J]. Physica Status Solidi(b)， 2012， 249(7)： 1330-1338.

[9] FOZDER D Y， SOMAN P， LEE J W， et al. Three-dimensional polymer constructs exhibiting a tunable negative Poisson’s ratio[J]. Advanced Functional Materials， 2011， 21(14)： 2712-2720.

[10] PASTERNAK E， DYSKIN A V. Materials and structures with macroscopic negative Poisson’s ratio[J]. International Journal of Engineering Science， 2012， 52：103-114.

[11] 张汝光.复合材料负泊松比的设计[C]//第十届玻璃钢/复合材料学术年会论文集，1993：9-13.

[12] HOOK P B， EVANS K E， HANNINGTON J P， et al. Composite materials and structures： US10551316[P]. 2004-03-26.

[13] WRIGHT J R， BURNS M K， JAMES E， et al. On the design and chaeacterisation of low-stiffness auxetic yarns fabrics[J]. Textile Research Journal， 2012， 82(7)： 645-654.

[14] 胡红，刘世瑞.一种负泊松比纱线结构及其制造方法：CN103361811A[P].2013-10-23.

[15] UGBOLUE S C， KIM Y K， WARNER S B， et al. The formation and performance of auxetic textiles. PartⅠ： Therotical and technical considerations[J]. the Journal of the Textile Institute， 2010， 101(7)： 660-667.

[16] LIU Yanping， HU Hong， LAM J K C， et al. Negative Poisson’s ratio weft-knitted fabrics[J]. Textile Research Journal， 2010， 80(9)： 856-863.

[17] BLAGA M， CIOBANU A R， PAVKO-CUDEN A， et al.在电脑横机上编织负泊松比可折叠纬编针织结构[J].丁倩莉，译.国际纺织导报，2014，42(6)： 54-56+58.

[18] MILLER W， REN Z， SMITH C W， et al. A negative Poisson’s ratio carbon fiber composite using a negative Poisson’s ratio yarn reinforcement[J]. Composites Science and Technology， 2012， 72(7)： 761-766.

[19] 马丕波，常玉萍，蒋高明.负泊松比针织结构及其应用[J].纺织导报，2015(7).

[20] HU Hong， WANG Zhengyue， LIU Su， et al. Development of auxetic fabrics using flat knitting technology[J]. Textile Research Journal， 2011， 81(14)： 1493-1502.

[21] 葛朝阳.三维负泊松比织物结构的设计制造和变形机理研究[D].上海：东华大学，2014.

[22] CHAN N， EVANS K E. The mechanical properties of conventional and auxetic foams. PartⅠ： Copression and tension[J]. Journal of Cellulai Plastics， 1999， 35(2)： 130-165.

[23] 颜芳芳，徐晓东.负泊松比柔性蜂窝结构在变体机翼中的应用[J].中国机械工程，2012，23(5)： 542-546.

[24] BAUGHAM R H， DANTAS S O， STAFSTORM S， et al. Negative Poisson’s ratio for extreme states of matter[J]. Science， 2000， 288(5473)： 2018-2022.

[25] 周铭，杜赵群.负泊松比结构纺织材料的研究进展[J].纺织学报，2014，35(2)：99-108.

Research status and application prospect of negative Poission’s ratio textile materials

FengHanxiao1，WeiMengyuan2，XueWenliang1，WangLingling3

1.Key Laboratory of Textile Scisence & Technology， Ministry of Education， Donghua University， Shanghai 201620， China；2.Shanghai Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau， Shanghai 200135， China;3.Research Institute, Donghua University, Shanghai 200051, China

The processing technology and the development of negative Poisson’s ratio materials were introduced， and the relization principle for negative Poisson’s ratio effect on yarns and knitted fabrics was elaborated. The prospects of negative Poission’s textile materials used in fields of apparel， technical and medical were proposed， and the problems which need to be solved urgently were put forward.

negative Poisson’s ratio， textile material， realization method， prospect

*上海检验检疫局科技计划项目(HK023-2016)

2017-02-27

冯含笑，女，1996年生，在读本科生，主要研究方向为纺织品设计

薛文良，Email：xwl@dhu.edu.cn

TS101.8

A

1004-7093(2017)06-0001-05