含有鎳鈦合金絲的服用機織面料的形變性能

隨著智能可穿戴技術的快速發(fā)展 [1-2], 智能服用面料需求不斷增加，具有良好智能形變性能的服用面料具有較好的應用價值 [3-4]。當前，服用面料的智能形變功能主要依靠充氣結構或變形組件來實現(xiàn) [5], 其中變形組件分為兩類：一類是傳統(tǒng)的機械變形組件，能夠呈現(xiàn)較強的視覺效果并應用于體量較大的裝飾性服裝，但是影響服用面料的舒適性；另一類是基于形狀記憶合金材料的形狀變形組件，其對服用面料的舒適性影響較小，但對面料織造加工工藝要求較高 [6]。

在基于鎳鈦記憶合金絲的機織面料中，鎳鈦合金絲的參數(shù)、織物組織結構、織物使用的紗線種類、織物的織造密度等都影響到面料的形變性能 [7-8]。Vasile 等 [9] 使用奧氏體溫度在 37℃左右的鎳鈦形狀記憶合金絲織造了機織面料，對面料的褶皺回復性進行了研究。該團隊 [10-11] 還通過優(yōu)化混合紗線的結構，改善了亞麻織物在干燥和潮濕環(huán)境下的褶皺回復性。Alta?等 [12] 進一步研究了鎳鈦合金絲的直徑和間距對棉機織物褶皺回復性的影響，結果發(fā)現(xiàn)在一定條件下，合金絲直徑越大，織物褶皺回復性越好。嚴濤海等 [13] 用滌綸紗線和直徑為 0.3mm 的鎳鈦合金絲織造了機織面料，并研究了該面料的透氣性、硬挺度和斷裂拉伸強度等。付馳宇等 [14] 設計并制備了以鎳鈦合金絲為芯絲、聚酰亞胺為外包纖維的包芯紗，并織造了機織面料，研究其熱驅動性能；該研究表明，機織物在恒定熱流下能夠表現(xiàn)出良好的形變性能，加載的溫度越高，紗線的回復應力也越大。然而，以上未對織物組織結構、鎳鈦合金絲直徑等對織物性能的影響進行研究。

本文利用鎳鈦記憶合金絲作為動力產(chǎn)生材料織造機織面料，使面料產(chǎn)生形變，從而研究織物組織結構、鎳鈦合金絲直徑、紗線種類對面料形變時間、形變程度和形變回復性的影響，并將形變程度和形變回復狀態(tài)進行量化研究，以期開發(fā)出含有鎳鈦記憶合金絲的機織服用面料。

1、實驗

1.1 材料與儀器

實驗材料：直徑為 0.25mm 的芳綸紗線、錦綸 / 腈綸混紡紗線、滌綸紗線、高彈力紗線和厚度為 0.15mm 的銅片，鎳鈦記憶合金絲。鎳鈦記憶合金絲的具體參數(shù)見表 1。

表1 鎳鈦合金絲的基本參數(shù)

（Tab. 1 Basic parameters of nitinol wires）

實驗儀器：SGA598 型半自動機織小樣織布機 (江陰市通源紡機有限公司),Ms152D 型可調直流穩(wěn)壓電源 (深圳市百事泰科技有限公司),MVCS060-10GC 型相機 (杭州海康威視數(shù)字技術股份有限公司),SX2-8-10 型馬弗爐 (上海喆宣機械制造有限公司)。

1.2 樣品制備

樣品制備主要過程如下:

a) 首先將鎳鈦合金絲依次用無水乙醇、去離子水清洗并干燥，再將鎳鈦合金絲固定在具有所需形狀且能夠在高溫定形時不與鎳鈦合金絲反應的模具上，然后放入馬弗爐中進行定形處理，定形處理的工藝參數(shù)為：5℃/min 的速率升溫至 500℃, 保溫 30min, 再以 5℃/min 的速率降至室溫 [15]。

b) 將完全冷卻后的鎳鈦合金絲拉直，并通電測試其變形效果是否符合實驗要求。

c) 利用半自動小樣織布機織造含有鎳鈦記憶合金絲的機織面料樣品，每筘 2 入，筘號為 25, 筘間隙寬 1.5mm。如圖 1 所示，樣品經(jīng)密、緯密均為 110 根 / 10cm, 幅寬設定為 8cm, 織造長度為 2.5cm, 上下 0.5cm 的區(qū)域織造平紋組織 (見圖 1 的虛線區(qū)域), 中間 1.5cm 為設定的組織結構 (見圖 1 的實線區(qū)域), 兩根長度為 10cm 的鎳鈦合金絲平行間隔 0.5cm 織入樣品，左右兩端分別留 0.5cm 和 1.5cm,0.5cm 端與銅片連接，1.5cm 端與可調直流穩(wěn)壓電源連接，以滿足實驗閉合電路的要求，織造時合金絲高溫形態(tài)向垂直于面料正面的上方彎折。

不同材質紗線織造 1/3 斜紋組織的樣品，紗線選用如下：經(jīng)緯紗都為滌綸、經(jīng)紗滌綸緯紗高彈力紗、經(jīng)緯紗都為芳綸、經(jīng)緯紗都為高彈力紗、經(jīng)緯紗都為錦綸腈綸混紡紗，樣品分別命名為 B1、B2、B3、B4、B5。

d) 利用穩(wěn)壓電源對樣品進行形變性能測試，利用數(shù)碼相機記錄形變過程，并對測試結果進行量化。

織物組織結構對面料性能影響的研究中，共選取 4 種織物組織：1/1 平紋、1/2 斜紋、1/3 斜紋、1/5 斜紋，織造的樣品分別命名為 S1、S2、S3、S4, 樣品正面俯視實物照片如圖 2 所示，經(jīng)緯紗線為芳綸，選取的鎳鈦合金絲直徑為 0.30mm。鎳鈦合金絲直徑對面料性能影響的研究中，共選取直徑分別為 0.15、0.25、0.30、0.40mm 的鎳鈦合金絲進行樣品織造，樣品分別命名為 A1、A2、A3、A4, 組織為 1/3 斜紋組織，經(jīng)緯紗線為芳綸。紗線材質對面料性能影響的研究中，采用直徑為 0.30mm 的鎳鈦合金絲與 5 種。

1.3 測試與表征

1.3.1 形變時間

首先，將樣品連接在可調直流穩(wěn)壓電源的一側并固定在實驗臺上，把樣品形狀調整為初始形狀，然后用萬用表分別接到織造樣品時預留在樣品兩端的鎳鈦合金絲上，測試兩根合金絲是否串聯(lián)成功，并檢查其通電的穩(wěn)定性。測試完成后，把可調直流穩(wěn)壓電源的電壓調為 1.3V, 將預留在樣品兩端的鎳鈦合金絲分別接入電源的正極和負極，使其形成一個閉合回路，打開電源開關，樣品即發(fā)生變形，用相機記錄變形過程，再利用視頻處理軟件確定樣品的形變時間，時間以 s 為單位，精確到小數(shù)點后兩位，取樣品 3 次測試結果的中間值。

1.3.2 形變程度

將相機記錄的樣品變形前后的形態(tài)以圖片形式輸出，用 Photoshop 編輯導出的圖片，并轉換為線型示意圖。通過測量樣品變形前后的線型示意圖的端點的直線距離 P 表示樣品的形變程度，P 越小則表示樣品的形變程度越大。

1.3.3 形變回復性

對變形后的樣品在垂直方向施加 23N 的力，時間為 60s, 壓力卸除后，將樣品回復后的形態(tài)以圖片形式導出，用 Photoshop 編輯圖片，將其轉換為線型示意圖。測量樣品回復前后線型示意圖的端點的直線距離用 R 表示，R-P 表示樣品的回復性能，R-P 值越大則表示樣品的回復性能越好。

2、結果與分析

2.1 織物組織結構對樣品形變性能的影響

2.1.1 形變時間

直徑為 0.30mm 的鎳鈦合金裸絲以及用芳綸紗線和直徑為 0.30mm 鎳鈦合金絲織造的 4 種組織結構的樣品的形變時間如圖 3 所示，裸絲的形變時間為 3.47s, 不同織物組織結構的樣品形變時間差別較大，S1、S2、S3、S4 形變時間分別為 15.02、9.81、6.62、6.28s。由圖 3 可知，織物完全組織的緯組織點越多，樣品的形變時間越短，即鎳鈦合金絲的浮線越長，樣品的形變時間越短，這應該是由于在樣品的相同面積內，浮線短而交織點多，對樣品的形變產(chǎn)生了一定的阻礙作用 [16]。但樣品 S3 和 S4 的形變時間差距較小，說明形變時間不會隨面料浮線長度增加而無限縮短，當浮線達到一定長度后，樣品的形變時間不再發(fā)生變化。

2.1.2 形變程度

S1、S2、S3、S4 形變前后的實物圖和線型示意圖如圖 4 和圖 5 所示。從圖 4 和圖 5 中可以看出，不同織物組織結構的樣品形變程度差別較大。圖 5 中所示樣品變形前后的 P 值分別是 5.39、4.59、1.62、1.05cm。以上實驗結果可知，織物完全組織的緯組織點越多，樣品的形變程度越大，即鎳鈦合金絲的浮線越長，樣品的形變程度越大，且接近鎳鈦合金絲定形的形狀。

2.1.3 形變回復性

S1、S2、S3、S4 形變回復后的實物圖和線型示意圖如圖 4 和圖 5 所示，從圖 4 和圖 5 可以看出，不同織物組織結構的樣品形變回復性存在一定差別。圖中所示的 R 值分別是 7.78、7.75、7.68、6.81cm。不同織物組織結構樣品數(shù)據(jù)對比如圖所示由圖可知樣品的 R-P 值分別為：2.39、3.16、6.06、5.76cm。

從實驗結果可知，樣品回復性從大到小依次為 S3、S4、S2、S1, 但 S3 和 S4 回復性差別較小。由此可知，織物完全組織的緯組織點越多，樣品的回復性越好，即鎳鈦合金絲的浮線越長，樣品的回復性越好。但 S4 的回復性略小于 S3, 這可能是因為 S3 和 S4 在一個完全組織循環(huán)中具有相同的經(jīng)浮長，但經(jīng)組織點數(shù)量不同，而鎳鈦合金絲與面料間的相互作用力主要集中在經(jīng)組織點上，即抑制樣品受力后發(fā)生回彈的作用力不同，由于 S4 的鎳鈦合金絲浮長線比 S3 長，在每個經(jīng)組織點相同的抑制力作用下，鎳鈦合金絲浮線長度較長的樣品，在受力后更容易發(fā)生回彈作用 [17-18], 使得形變回復性變差。這也說明樣品的形變回復性不會隨面料浮線長度增加而無限變大，當浮線達到一定長度后，樣品的形變回復性會有變小的趨勢。

2.2 鎳鈦合金絲直徑對樣品形變性能的影響

2.2.1 形變時間

不同鎳鈦合金絲直徑的形變時間以及其與芳綸紗線織造 1/3 斜紋組織的樣品的形變時間如圖 7 所示。由于 A1 樣品并未發(fā)生形變，因此圖 7 中未示意 A1 樣品及其使用的裸絲的形變時間。從圖 7 中可以看出，直徑為 0.25、0.30、0.40mm 的裸絲的形變時間分別為 3.32、3.47、3.81s,A2、A3、A4 的形變時間分別為 13.61、6.62、6.41s。以上結果可知，鎳鈦合金絲直徑與紗線直徑的比值越大，樣品形變時間越短，但樣品 A3 和 A4 的形變時間差距較小，說明形變時間不會隨鎳鈦合金絲直徑與紗線直徑比值的增加而無限縮短，當比值達到一定大小后，樣品的形變時間基本恒定。

2.2.2 形變程度

A1、A2、A3、A4 形變前后的實物圖如圖 8 所示。從圖 8 中可以看出，不同直徑鎳鈦合金絲及其樣品變形后的形態(tài)差別較大。圖 9 為不同直徑鎳鈦合金絲的樣品變形后的線型示意圖，由于 A1 樣品沒有產(chǎn)生變化，P 值仍為樣品左右端點的長度 8.00cm,A2、A3、A4 的 P 值分別是 4.29、1.62、3.70cm。上述結果可知，A2 的形變程度最小，這可能是因為鎳鈦合金絲直徑較小，不足以帶動整個面料實現(xiàn)好的形變效果 [19];A3 鎳鈦合金絲直徑增加且略大于面料紗線直徑，能夠產(chǎn)生足夠的形變能力帶動整個面料變化，實現(xiàn)理想的形變效果；A4 所用鎳鈦合金絲直徑雖然比 A3 大，但是其面料的形變程度小于 A3, 這可能是因為 A4 鎳鈦合金絲直徑雖大，但是與面料所用紗線直徑相比，比值偏大，其形變時與面料間的接觸面積更大，產(chǎn)生的摩擦阻力阻礙了樣品形變的效果 [20]。

AI 形變前 A2 形變前 A3 形變前 A4 形變前

2.2.3 形變回復性

A1、A2、A3、A4 形變回復后的實物圖如圖 8 所示，從圖中可以看出，不同鎳鈦合金絲直徑的樣品回復性差別較大。不同鎳鈦合金絲直徑樣品線型圖如圖所示從圖中可以看出的 R 值分別是 7.70、7.68、7.07cm, 由于 A1 樣品沒有產(chǎn)生變化，因此 R 值為 8.00cm。不同鎳鈦合金絲直徑樣品數(shù)據(jù)對比如圖所示可見樣品的 R-P 值分別為 0、3.41、6.06、3.37cm。由結果可知，鎳鈦合金絲直徑與紗線直徑的比值越大，樣品回復性越好，但樣品 A4 的回復性比 A3 差，這應該是因為樣品 A4 合金絲徑相比于面料紗線直徑相差較大，相互作用力也更大，回復性也因此受到影響。

2.3 面料紗線材質對樣品形變性能的影響

樣品所用紗線的彈性及光滑程度如表 2 所示。

表2 樣品彈性 

Tab.2 Sample elasticity

2.3.1 形變時間

直徑為 0.30mm 的裸絲以及采用不同紗線材質與直徑為 0.3mm 鎳鈦合金絲織造的樣品的形變時間如圖 11 所示，裸絲形變時間為 3.47s,B1、B2、B3、B4、B5 的形變時間具有一定差別，形變時間分別為 6.85、5.79、6.62、5.45、7.03s。由結果可知，緯紗有彈力的樣品比緯紗無彈力的樣品形變時間更短，經(jīng)紗緯紗均有彈力的樣品比緯紗有彈力的樣品形變時間更短。通過無彈力的 3 個樣品對比可以看出，紗線表面的光滑度越高，形變時間越短。

2.3.2 形變程度

B1、B2、B3、B4、B5 形變前后的實物圖以及線型示意圖如圖 12 和圖 13 所示。圖 13 中所示 B1、B2、B3、B4、B5 的 P 值分別是 3.45、2.70、1.62、1.98、2.88cm, 表明緯紗有彈力的樣品比緯紗無彈力的樣品形變程度更大，經(jīng)紗緯紗均有彈力的樣品比緯紗有彈力的樣品形變程度更大。紗線的光滑度越高，樣品的形變程度越大，且接近合金絲裸絲的形變后形狀。

2.3.3 形變回復性

B1、B2、B3、B4、B5 回復后的實物圖由圖 12 所示，從圖中可以出看出，不同面料紗線材質的樣品回復性差別較大圖所示的 R 值分別是 7.44、7.18、7.68、6.83、7.36cm, 可以得出 R-P 值分別為 3.99、4.48、6.06、4.85、4.48cm。不同紗線材質樣品數(shù)據(jù)對比如圖 14 所示。實驗結果說明，緯紗有彈力的樣品比緯紗無彈力的樣品回復性更好，經(jīng)紗緯紗均有彈力的樣品比緯紗有彈力的樣品回復性更好樣品的 R 值差距并不大但由于樣品的 P 值明顯小于另外兩組樣品使得樣品 B3 在這 3 組樣品中的回復性最大，并未呈現(xiàn)出顯著規(guī)律。

3、結論

本文將鎳鈦合金絲作為緯紗嵌入紗線，分別織造了不同織物組織結構、不同鎳鈦合金絲直徑以及不同紗線材質的 13 種機織服用面料，同時分析了織物組織結構、鎳鈦合金絲直徑以及紗線材質對基于鎳鈦合金絲的服用機織面料形變性能的影響。主要結論如下:

a) 織物完全組織的緯組織點越多，即鎳鈦合金絲的浮線越長時，面料的形變時間較短，形變程度越大，回復性較好，當浮線長度增加到一定程度，面料的形變性能會趨于穩(wěn)定不變。

b) 鎳鈦合金絲直徑與紗線直徑的比值越大，面料的形變時間較短，形變程度越大，回復性較好，當鎳鈦合金絲與紗線直徑比值增加到一定程度，面料的形變性能會趨于穩(wěn)定不變。

c) 帶有彈力且表面光滑的紗線材質更有利于提高服用機織面料的形變性能。

參考文獻:

[1] 沈雷，孫湉。智能可穿戴領域研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 [J]. 服裝學報，2023,8 (2):125-133.

SHEN Lei,SUN Tian.Research status and development trend of intelligent wearable field [J].Journal of Clothing Research,2023,8 (2):125-133.

[2] 李鵬飛，龔龑，汪芳。紡織基智能可穿戴技術發(fā)展及智能服裝應用現(xiàn)狀分析 [J].2023 (S1):91-97.

LI Pengfei,GONG Yan,WANG Fang.Analysis of the development of textile-based smart wearable technology and the application status of smart clothing [J].2023 (S1):91-97.

[3] 王本力。鎳鈦形狀記憶合金的研究及其應用進展 [J]. 新材料產(chǎn)業(yè)，2021 (4):28-31.

WANG Benli.Research progress and application of Ni-Ti shape memory alloy [J].New Materials Industry,2021 (4):28-31.

[4] 成瑤瑤，李艷梅。形狀記憶合金服裝的功能性研究進展 [J]. 上海紡織科技，2023,51 (10):5-9.

CHENG Yaoyao,LI Yanmei.Research progress of functional shape memory alloy clothing [J].Shanghai Textile Science & Technology,2023,51 (10):5-9.

[5] CHOG,LEE S,CHO J.Review of dynamic shape changing clothing:Exploring the integration of smart materials [J].International Journal of Human-Computer Interaction,2015,31 (18):1319-1333.

[6] STYLIOS G K.Engineering dynamic textiles:Using shape memory alloys [M]//Intelligent Textiles and Clothing.Amsterdam:Elsevier,2006:165-189.

[7] CABRAL I,CARVALHO P,SOUTO A,et al.Comparative analysis of the superelastic and shape memory effect in woven fabrics with embedded NiTi wires [J].Fibres & Textiles in Eastern Europe,2012,20 (4):56-61.

[8] DYER S,GRABOWSKA K,CIESIELSKA-WRóBEL I.Mechanical properties of hybrid yarns with embedded shape memory alloy (SMA) wires [J].Fibres & Textiles in Eastern Europe,2016,24 (4):41-46.

[9] VASILE I,GITHAIGA S,CIESIELSKA-WROBEL I,et al.Analysis of hybrid woven fabrics with embedded superelastic and shape memory wires [J].Fibres & Textiles in Eastern Europe,2012,20 (4):53-58.

[10] VASILE I,CIESIELSKA-WRóBEL S,et al.Wrinkle recovery of flax fabrics with embedded shape memory alloy wires [J].Fibres & Textiles in Eastern Europe,2011,19 (6):41-44.

[11] VASILE I,CIESIELSKA-WRóBEL S,et al.Analysis of the wrinkle recovery property of linen fabrics in dry and wet conditions [J].Textile Research Journal,2010,80 (1):41-44.

[12] ALTA? S,YILMAZ E.Prediction of the wrinkle recovery property of fabrics with embedded shape memory alloy wires using Taguchi experiment design [J].Fibres & Polymers,2016,17 (4):644-650.

[13] 嚴濤海。鎳鈦記憶合金絲面料及其性能 [J]. 成都紡織高等專科學校學報，2017,34 (3):50-55.

YAN Taohai.Ni-Ti memory alloy wire fabric and its mechanical property [J].Journal of Chengdu Textile College,2017,34 (3):50-55.

[14] 付馳宇，徐傲，齊碩，等。形狀記憶合金復合紗線及其面料驅動性能 [J]. 紡織學報，2023,44 (6):91-97.

FU Chiyu,XU Ao,QI Shuo,et al.Shape memory alloy composite yarn and its fabric actuation performance [J].Journal of Textile Research,2023,44 (6):91-97.

[15] 鄒軼樂，高超.U 型鎳鈦合金絲熱定型及力學性能分析 [J]. 材料開發(fā)與應用，2022,37 (2):50-55.

ZOU Yile,GAO Chao.Thermal setting and mechanical property analysis of U-shaped nickel-titanium shape memory alloy wire [J].Development and Application of Materials,2022,37 (2):50-55.

[16] 洪彩云。形狀記憶合金在服裝變形結構的可行性應用研究 [D]. 杭州：中國美術學院，2023.

HONG Caiyun.Feasibility Study on Application of Shape Memory Alloy in Clothing Deformation Structure [D].Hangzhou:China Academy of Art,2023.

[17] 安進家.NiTi 形狀記憶合金高溫形變機制 [J]. 有色金屬工程，2015,5 (5):14-16.

AN Jinjia.Deformation mechanism of NiTi shape memory alloy under high temperature [J].Nonferrous Metals Engineering,2015,5 (5):14-16.

[18] 甄琪，張恒，王思凡，等。形狀記憶材料在隔熱阻燃防護服中的應用 [J]. 塑料科技，2023,51 (9):114-118.

ZHEN Qi,ZHANG Heng,WANG Sifan,et al.Application of shape memory materials in heat-insulation and flame-retardant firefighters' protective clothing [J].Plastics Science and Technology,2023,51 (9):114-118.

[19] 王麗君，盧業(yè)虎，王帥，等。形狀記憶合金尺寸對消防服面料防護性能的影響 [J]. 紡織學報，2018,39 (6):113-118.

WANG Lijun,LU Yehu,WANG Shuai,et al.Influence of size of shape memory alloy on the protection of fabrics used in thermal protective clothing [J].Journal of Textile Research,2018,39 (6):113-118.

[20] 陳潔如。機織平紋結構紗線交織阻力的試驗分析及有限元建模 [D]. 武漢：武漢紡織大學，2021.

CHEN Jieru.Experimental Analysis and Finite Element Modeling of Yarn Interweaving Resistance of Woven Plain Weave Structure [D].Wuhan:Wuhan Textile University,2021.

相關鏈接