负泊松比经编间隔织物的抗低速冲击性能

徐婉丽， 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)

近年来，利用纺织技术编织的负泊松比材料越来越受重视[1]。负泊松比纺织材料具有特殊的单元结构，因此表现出很多不同于传统纺织材料的优异性能[2]，如力学性能、抗压痕性能、抗剪切性能、断裂韧性、同向曲率、能量吸收性能等[3]。负泊松比纺织材料作为一种新型材料，广泛应用于防护、汽车工业、航天航空以及国防等领域[4]。

经编间隔织物是指在双针床拉舍尔经编机上编织的一种三维立体织物，它是由在前后针床上形成的2片相互独立的织物以及在2片织物之间起连接和支撑作用的间隔丝构成[5]。由于其独特的结构，经编间隔织物具有良好的抗压弹性、透气透湿性、吸音隔音性、结构整体性以及可成形性等[6]，因此，经编间隔织物在成型鞋材、时装面料、建筑增强材料、包装材料等方面有着广泛的应用[7]。

目前对具有负泊松比效应的经编间隔织物在低速冲击载荷下的能量吸收性能的研究还较少[8-9]。为此，本文针对负泊松比经编间隔织物在低速冲击下的能量吸收性能进行研究，分别分析了不同负泊松比经编间隔织物在相同初始冲击能量下的能量吸收性能，以及同种负泊松比经编间隔织物在不同初始冲击能量下的能量吸收性能。

1 实 验

1.1 试样制备

设计了5种具有不同负泊松比效应的经编间隔织物试样，其中1#～4#织物仅GB4的垫纱数码不同，1#试样与5#试样仅送经量不同，试样所用原料规格与垫纱组织设置以及送经量设置分别如表1、2所示。经编间隔织物在RD7/2-12EN型拉舍尔型经编机上编织完成。下机后经编间隔织物的厚度为3.5 mm，横密为10纵行/cm，纵密为12横列/cm。

负泊松比经编间隔织物试样具有负泊松比效应的原理是：在典型的经编六角网眼间隔织物的基础上添加编链和缺垫组织，使得原来结构较为规整的经编六角网眼间隔织物由于受力不匀而产生歪斜，当受到拉伸作用力时，原本歪斜的六角网眼就会发生旋转变形，使六角网眼受力变形后膨胀变大，从而使经编间隔织物具有一定的负泊松比效应[10]。采用R-3型定型烘焙机对负泊松比经编间隔织物进行热定型整理(定型温度为150 ℃，定型时间为120 s)，使得原本就倾斜的六角网眼织物获得更为显著的歪斜效应。在拉伸时，六角网眼受力变形程度更大，经编间隔织物的负泊松比效应更加明显[11]。

表1 原料规格及垫纱组织设置Tab.1 Material specification and guide bar setting

表2 送经量设置Tab.2 Let-off setting

1.2 泊松比值测定

分别对5种试样截取适当的长度，用夹子将织物的纵向固定，保证其初始状态下基本不受纵向力的作用。设定织物初始状态下纵向宽度为50 mm，横向宽度为40 mm，再将夹子沿纵向向下移动，且每次增加1 mm，即纵向应变依次按照初始宽度的2%递增，同时测量织物正中间横向2点间的水平距离，从而得到织物载荷方向(即纵向)的应变与垂直于载荷方向(即横向)的应变，再根据泊松比的定义式分别计算出所有试样的泊松比值[11]。每块试样测试5次，结果取平均值。试样1#～5#的泊松比值分别为-0.375、-0.437、-0.513、-0.614、-0.625。

1.3 冲击性能测试

根据ASTM D7136 /D7 136 M—2012 《纤维增强聚合物基体复合材料抗落锤撞击损失测量的标准试验方法》，采用美国英斯特朗公司生产的Instron Dynatup 9250HV型冲击试验机对织物进行低速冲击实验，测试条件为：温度(25±2)℃,相对湿度(65±2)%。该机器的冲击头呈半球形且直径为12.5 mm，在冲击头的上方连接有一个压力传感器，其可承受的最大载荷为22.4 kN。冲击测试方案如表3所示，其中每种试样均测试5次，测试结果取平均值。

表4 冲击实验方案Tab.4 Parameters of impact tests

2 结果与讨论

2.1 冲击过程分析

对负泊松比经编间隔织物试样进行低速冲击实验，整个冲击过程包括3个阶段：第1个阶段是重锤接触试样前，落锤作自由落体运动，将重力势能转换为动能；第2个阶段是试样被冲击阶段，落锤首先与织物试样相接触，落锤加速度减小，落锤落至最低点时完成冲击，落锤速度为零，织物对落锤冲击的能量吸收主要发生在这个阶段；第3阶段是冲击结束阶段，落锤被织物试样弹离，剩余能量再次转换为落锤的动能和势能等。与此同时，处于上升运动状态的落锤再次下落且被防二次冲击装置挡住[12]。

2.2 冲击载荷-时间曲线

5种负泊松比经编间隔织物试样在7.013 J的初始冲击能量下的冲击载荷-时间关系曲线如图1所示。可知，在冲击过程中，冲击载荷-时间曲线的斜率逐渐增大，且织物试样的耐冲击时间从长到短依次为试样5#→4#→3#→2#→1#。其中，试样4#和试样5#的冲击时间较长。5种织物试样的冲击载荷峰值从大到小分别为试样4#→3#→5#→2#→1#。结合测定的负泊松比值可得出：织物的负泊松比性能越好，织物耐冲击时间越长，耐冲击性能越好。试样3#、4#、5#的冲击载荷峰值都明显高于试样1#、2#，可推断较好的负泊松比性能可带来较高的耐低速冲击载荷峰值。

图1 相同初始冲击能量下5种试样冲击载荷-时间曲线Fig.1 Impact load and time curve of five samples under same initial impact energy

试样3#在3.125、7.013、12.500 J的初始冲击能量下的冲击载荷-时间曲线如图2所示。可看出，在冲击的初始阶段，12.500 J初始冲击能量下的试样所受到的冲击载荷-时间曲线斜率最大，其次是7.013 J初始冲击能量下的试样，3.125 J初始冲击能量下的曲线斜率最小，但织物在3种不同初始冲击能量下的冲击载荷峰值相差不大。由此可见，初始冲击能量越大，试样所受到的冲击载荷的增速越大，但初始冲击能量对织物冲击载荷峰值的影响不大。从图2还可得出，当冲击结束时，3.125 J初始冲击能量下织物试样的耐冲击时间最长，12.500 J初始冲击能量下的最短，而7.013 J初始冲击能量下的介于二者之间；故初始冲击能量越大，织物的耐冲击时间越短，耐冲击性能越差。

图2 不同初始冲击能量下3#试样的冲击载荷-时间曲线Fig.2 Impact load and time curve of sample 3#under different initial impact eneries

2.3 冲击载荷-位移曲线

5种负泊松比经编间隔织物试样在7.013 J初始冲击能量下的冲击载荷-位移曲线如图3所示。在冲击过程中，冲击载荷-位移曲线的斜率逐渐变大，且织物试样从开始受到冲击到冲击结束，最大位移从大到小分别为试样4#→5#→3#→2#→1#，试样的载荷峰值从大到小分别是试样4#→3#→5#→2#→1#。可得出，具有较好负泊松比性能的织物在低速冲击下，会发生相对较大的位移。同样的，在整个低速冲击过程中，负泊松比性能较好的织物试样可承受的最大冲击载荷普遍高于负泊松比性能较差的织物。

图3 相同初始冲击能量下5种试样冲击载荷-位移曲线Fig.3 Impact load and displacement curve of five samples under same initial impact energy

试样3#在3.125、7.013、12.500 J初始冲击能量下的冲击载荷-位移曲线如图4所示。可知：在3种不同的初始冲击能量下，试样3#从开始受到冲击到冲击结束，位移极限值相差不大，均为15.5 mm左右；试样3#的冲击载荷峰值在初始冲击能量为3.125 J时相对较小，但与初始冲击能量为12.500、7.013 J时的冲击载荷相差不大，因此，初始冲击能量的大小对织物在低速冲击下的冲击载荷峰值影响甚微。

图4 不同初始冲击能量下3#试样的冲击载荷-位移曲线Fig.4 Impact load and displacement curve of sample 3# under different initial impact energies

2.4 能量吸收-时间曲线

5种负泊松比经编间隔织物试样在7.013 J初始冲击能量下的能量吸收-时间曲线如图5所示。冲击载荷-时间曲线下的面积即为织物试样在整个低速冲击过程中吸收的能量。由图可知，试样2#、3#、4#、5#的能量吸收曲线较为接近，这与4种织物的泊松比值差异不大有关。织物能量吸收的增长速率随时间变化逐渐增大，即织物的能量吸收越来越快；且试样3#、4#和5#在整个冲击过程中的总能量吸收较高，而试样1#、2#总能量吸收则相对较低。结合5种试样的泊松比值可推断：在低速冲击下，经编间隔织物的负泊松比值越大，织物在冲击下的能量吸收性能越好，且随着低速冲击的发生，织物吸收能量的速率越来越快。

图5 相同初始冲击能量下5种试样的能量吸收-时间曲线Fig.5 Energy absorption and time curve of five simples under same initial impact energy

在低速冲击过程中，经编间隔织物对冲击能量的吸收过程为：当冲击头与织物试样表面接触时，冲击头的能量首先通过织物的结构变形被吸收，其次通过织物的材料变形进行吸收，当2种变形均达到极限时，织物的能量吸收也达到极限，剩余的能量会转换为冲击头向上的动能等。冲击发生时，负泊松比经编间隔织物的负泊松比结构从冲击点开始发生变形，折线形排列的旋转六角网眼开始膨胀展开成普通的六角网眼，之后织物在冲击方向和冲击点附近均会产生压缩效应，此时，冲击点附近的织物局部密度陡然上升，织物试样对能量的吸收也急剧上升。这也解释了负泊松比性能较好的织物耐冲击性能也更好的现象。

试样3#在3.125、7.013、12.500 J初始冲击能量下的能量吸收-时间曲线如图6所示。当负泊松比经编间隔织物受到这3种初始冲击能量的冲击时，尽管织物的能量吸收速率不同，但整个冲击过程结束后，织物总体的能量吸收值相差不大，即初始冲击能量的大小对负泊松比经编间隔织物在低速冲击下的能量吸收性能影响不大。

图6 不同冲击能量下3#试样的能量吸收-时间曲线Fig.6 Energy absorption and time curve of fabric sample 3#under different initial impact energies

3 结 论

为研究负泊松比经编间隔织物在低速冲击下的能量吸收性能，本文对5种具有不同负泊松比效应的经编间隔织物试样进行了冲击实验，分别研究了不同负泊松比效应和不同初始冲击能量对织物耐冲击性能以及能量吸收性能的影响，得出如下结论：

1) 经编间隔织物的负泊松比性能与织物对冲击能量的吸收能力、织物的耐冲击性能成正相关，即经编间隔织物的负泊松比性能越好，织物在同等条件下可吸收的冲击能量也越多，耐冲击性能也越好。主要原因是经编间隔织物的负泊松比结构在受到冲击载荷时会发生结构展开变形，可吸收部分冲击能量，同时也延长了织物的耐冲击时间，使织物具有更大的冲击位移极限值。

2) 不同的初始冲击能量会影响负泊松比经编间隔织物的耐冲击性能和能量吸收速率，但对织物的可承受载荷、耐冲击位移极限和能量吸收性能影响不大。初始冲击能量越大，负泊松比经编间隔织物的耐冲击时间越短，耐冲击性能越差。

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