隨著智能可穿戴技術(shù)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(yīng)用價(jià)值 [3-4] 。當(dāng)前，服用面料的智能形變功能主要依靠充氣結(jié)構(gòu)或變形組件來實(shí)現(xiàn) [5] ，其中變形組件分為兩類：一類是傳統(tǒng)的機(jī)械變形組件，能夠呈現(xiàn)較強(qiáng)的視覺效果并應(yīng)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(duì)服用面料的舒適性影響較小，但對(duì)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(jī)織面料中，鎳鈦合金絲的參數(shù)、織物組織結(jié)構(gòu)、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(jī)織面料，對(duì)面料的褶皺恢復(fù)性進(jìn)行了研究。該團(tuán)隊(duì) [10-11] 還通過優(yōu)化混合紗線的結(jié)構(gòu)，改善了亞麻織物在干燥和潮濕環(huán)境下的褶皺回復(fù)性。Alta? 等 [12] 進(jìn)一步研究了鎳鈦合金絲的直徑和間距對(duì)棉機(jī)織物褶皺回復(fù)性的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在一定條件下，合金絲直徑越大，織物褶皺回復(fù)性越好。嚴(yán)濤海等 [13] 用滌綸紗線和直徑為 0.3 mm 的鎳鈦合金絲織造了機(jī)織面料，并研究了該面料的透氣性、硬挺度和斷裂拉伸強(qiáng)度等。付馳宇等 [14] 設(shè)計(jì)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(jī)織面料，研究其熱驅(qū)動(dòng)性能；該研究表明，機(jī)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(fù)應(yīng)力也越大。然而，以上未對(duì)織物組織結(jié)構(gòu)、鎳鈦合金絲直徑等對(duì)織物性能的影響進(jìn)行研究。
本文利用鎳鈦記憶合金絲作為動(dòng)力產(chǎn)生材料織造機(jī)織面料，使面料產(chǎn)生形變，從而研究織物組織結(jié)構(gòu)、鎳鈦合金絲直徑、紗線種類對(duì)面料形變時(shí)間、形變程度和形變回復(fù)性的影響，并將形變程度和形變回復(fù)狀態(tài)進(jìn)行量化研究，以期開發(fā)出含有鎳鈦記憶合金絲的機(jī)織服用面料。
1、 實(shí)驗(yàn)
1.1 材料與儀器
實(shí)驗(yàn)材料：直徑為 0.25 mm 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0.15 mm 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。
實(shí)驗(yàn)儀器：SGA598 型半自動(dòng)機(jī)織小樣織布機(jī)（江陰市通源紡機(jī)有限公司），Ms152D 型可調(diào)直流穩(wěn)壓電源（深圳市百事泰科技有限公司），MV-CS060-10GC 型相機(jī)（杭州海康威視數(shù)字技術(shù)股份有限公司），SX2-8-10 型馬弗爐（上海喆宣機(jī)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(shí)不與鎳鈦合金絲反應(yīng)的模具，然后放入馬弗爐中進(jìn)行定形處理，定形處理的工藝參數(shù)為：5 °C/min 的速率升溫至 500 °C，保溫 30 min，再以 5 °C/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(shí)驗(yàn)要求。
c）利用半自動(dòng)小樣織布機(jī)織造含有鎳鈦記憶合金絲的機(jī)織面料樣品，每筘 2 入，筘號(hào)為 25，筘間隙寬 1.5 mm。如圖 1 所示，樣品經(jīng)密、緯密均為 110 根/10cm，幅寬設(shè)定為 8 cm，織造長度為 2.5cm，上下 0.5 cm 的區(qū)域織造平紋組織（見圖 1 的虛線區(qū)域），中間 1.5 cm 為設(shè)定的組織結(jié)構(gòu)（見圖1 的實(shí)線區(qū)域），兩根長度為 10 cm 的鎳鈦合金絲平行間隔 0.5 cm 織入樣品，左右兩端分別留 0.5 cm和 1.5 cm，0.5 cm 端與銅片連接，1.5 cm 端與可調(diào)直流穩(wěn)壓電源連接，以滿足實(shí)驗(yàn)閉合電路的要求，織造時(shí)合金絲高溫形態(tài)向垂直于面料正面的上方彎折。
d）利用穩(wěn)壓電源對(duì)樣品進(jìn)行形變性能測試，利用數(shù)碼相機(jī)記錄形變過程，并對(duì)測試結(jié)果進(jìn)行量化。
織物組織結(jié)構(gòu)對(duì)面料性能的研究中，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(shí)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 0.30 mm。鎳鈦合金絲直徑對(duì)面料性能的研究中，共選取直徑分別為0.15、0.25、0.30、0.40 mm 的鎳鈦合金絲進(jìn)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(zhì)對(duì)面料性能的研究中，采用直徑為 0.30 mm 的鎳鈦合金絲與 5 種不同材質(zhì)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，分別命名為 B1、B2、B3、B4、B5。
1.3 測試與表征
1.3.1 形變時(shí)間
首先，將樣品連接在可調(diào)直流穩(wěn)壓電源的一側(cè)并固定在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，把樣品形狀調(diào)整為初始形狀，然后用萬用表分別接到織造樣品時(shí)預(yù)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(diào)直流穩(wěn)壓電源的電壓調(diào)為 1.3 V，將預(yù)留在樣品兩端的鎳鈦合金絲分別接入電源的正極和負(fù)極，使其形成一個(gè)閉合回路，打開電源開關(guān)，樣品即發(fā)生變形，用相機(jī)記錄變形過程，再利用視頻處理軟件確定樣品的形變時(shí)間，時(shí)間以 s 為單位，精確到小數(shù)點(diǎn)后兩位，取樣品 3 次測試結(jié)果的中間值。
1.3.2 形變程度
將相機(jī)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(dǎo)出的圖片，并轉(zhuǎn)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(diǎn)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(fù)性
對(duì)變形后的樣品在垂直方向施加 23 N 的力，時(shí)間為 60 s，壓力卸除后，將樣品回復(fù)后的形態(tài)以圖片形式導(dǎo)出，用 Photoshop 編輯圖片，將其轉(zhuǎn)換為線型示意圖。測量樣品回復(fù)前后線型示意圖的端點(diǎn)的直線距離，用 R 表示，R-P 表示樣品的回復(fù)性能，R-P 值越大則表示樣品的回復(fù)性能越好。
2、 結(jié)果與分析
2.1 織物組織結(jié)構(gòu)對(duì)樣品形變性能的影響
2.1.1 形變時(shí)間
直徑為 0.30 mm 的鎳鈦合金裸絲以及用芳綸紗線和直徑為 0.30 mm 鎳鈦合金絲織造的 4 種組織結(jié)構(gòu)的樣品的形變時(shí)間如圖 3 所示，裸絲的形變時(shí)間為 3.47 s，不同織物組織結(jié)構(gòu)的樣品形變時(shí)間差別較大，S1、S2、S3、S4 形變時(shí)間分別為 15.02、9.81、6.62、6.28 s。由圖 3 可知，織物完全組織的緯組織點(diǎn)越多，樣品的形變時(shí)間越短，即鎳鈦合金絲的浮線越長，樣品的形變時(shí)間越短，這應(yīng)該是由于在樣品的相同面積內(nèi)，浮線短而交織點(diǎn)多，對(duì)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(shí)間差距較小，說明形變時(shí)間不會(huì)隨面料浮線長度增加而無限縮短，當(dāng)浮線達(dá)到一定長度后，樣品的形變時(shí)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(shí)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(jié)構(gòu)的樣品形變程度差別較大。圖 5 中所示 S1、S2、S3、S4 樣品變形前后的 P 值分別是 5.39、4.59、1.62、1.05 cm。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，織物完全組織的緯組織點(diǎn)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(fù)性
S1、S2、S3、S4 形變回復(fù)后的實(shí)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(jié)構(gòu)的樣品形變回復(fù)性存在一定差別。圖 5 中所示 S1、S2、S3、S4 的 R 值分別是7.78、7.75、7.68、6.81 cm。不同織物組織結(jié)構(gòu)樣品數(shù)據(jù)對(duì)比如圖 6 所示，由圖可知，樣品的 R-P 值分別為：2.39、3.16、6.06、5.76 cm。
從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，樣品回復(fù)性從大到小依次為 S3、S4、S2、S1，但 S3 和 S4 回復(fù)性差別較小。由此可知，織物完全組織的緯組織點(diǎn)越多，樣品的回復(fù)性越好，即鎳鈦合金絲的浮線越長，樣品的回復(fù)性越好。但 S4 的回復(fù)性略小于 S3，這可能是因?yàn)?S3 和 S4 在一個(gè)完全組織循環(huán)中具有相同的經(jīng)浮長，但經(jīng)組織點(diǎn)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(diǎn)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(gè)經(jīng)組織點(diǎn)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(fù)性變差。這也說明樣品的形變回復(fù)性不會(huì)隨面料浮線長度增加而無限變大，當(dāng)浮線達(dá)到一定長度后，樣品
的形變回復(fù)性會(huì)有變小的趨勢。
2.2 鎳鈦合金絲直徑對(duì)樣品形變性能的影響
2.2.1 形變時(shí)間
不同鎳鈦合金絲直徑的形變時(shí)間以及其與芳綸紗線織造 1/3 斜紋組織的樣品的形變時(shí)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(shí)間。從圖 7 中可以看出，直徑為 0.25、0.30、0.40 mm 的裸絲的形變時(shí)間分別為 3.32、3.47、3.81 s，A2、A3、A4的形變時(shí)間分別為 13.61、6.62、6.41 s。以上結(jié)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(shí)間越短，但樣品 A3 和 A4 的形變時(shí)間差距較小，說明形變時(shí)間不會(huì)隨鎳鈦合金絲直徑與紗線直徑比值的增加而無限縮短，當(dāng)比值達(dá)到一定大小后，樣品的形變時(shí)間基本恒定。
2.2.2 形變程度
A1、A2、A3、A4 形變前后的實(shí)物圖如圖 8 和圖 9 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 可見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(diǎn)的長度 8.00 cm，A2、A3、A4 的 P 值分別是 4.29、1.62、3.70 cm。上述結(jié)果可知，A2 的形變程度最小，這可能是因?yàn)殒団伜辖鸾z直徑較小，不足以帶動(dòng)整個(gè)面料實(shí)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(dòng)整個(gè)面料變化，實(shí)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?yàn)?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(shí)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] 。
2.2.3 形變回復(fù)性
A1、A2、A3、A4 形變回復(fù)后的實(shí)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(fù)性差別較大。不同鎳鈦合金絲直徑樣品線型圖如圖 9 所示，從圖中可以看出，A2、A3、A4 的R 值分別是 7.70、7.68、7.07 cm，由于 A1 樣品沒有產(chǎn)生變化，因此 R 值為 8.00 cm。不同鎳鈦合金絲直徑樣品數(shù)據(jù)對(duì)比如圖 10 所示，可見，樣品的 R-P 值分別為 0、3.41、6.06、3.37 cm。由結(jié)果可知，鎳鈦合金絲直徑與紗線直徑的比值越大，樣品回復(fù)性越好，但樣品 A4 的回復(fù)性比 A3 差，這應(yīng)該是因?yàn)闃悠?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(fù)性也因此受到影響。
2.3 面料紗線材質(zhì)對(duì)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。
2.3.1 形變時(shí)間
直徑為 0.30 mm 的裸絲以及采用不同紗線材質(zhì)與直徑為 0.3 mm 鎳鈦合金絲織造的樣品的形變時(shí)間如圖 11 所示，裸絲形變時(shí)間為 3.47 s，B1、B2、B3、B4、B5 的形變時(shí)間具有一定差別，形變時(shí)間分別為 6.85、5.79、6.62、5.45、7.03 s。由結(jié)果可知，緯紗有彈力的樣品比緯紗無彈力的樣品形變時(shí)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(shí)間更短。同時(shí)，紗線表面的光滑度越高，形變時(shí)間越短。
2.3.2 形變程度
B1、B2、B3、B4、B5 形變前后的實(shí)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、2.88 cm，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(fù)性
B1、B2、B3、B4、B5 回復(fù)后的實(shí)物圖由圖 12 所示，從圖中可以出看出，不同面料紗線材質(zhì)的樣品回復(fù)性差別較大。圖 13 所示 B1、B2、B3、B4、B5 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、4.48 cm。不同紗線材質(zhì)樣品數(shù)據(jù)對(duì)比如圖 14所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，緯紗有彈力的樣品比緯紗無彈力的樣品回復(fù)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(fù)性更好。樣品 B1、B3、B5 的 R 值差距并不大，但由于樣品 B3 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(fù)性最大，并無呈現(xiàn)出顯著規(guī)律。
3、 結(jié)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(jié)構(gòu)、不同鎳鈦合金絲直徑以及不同紗線材質(zhì)的 13 種機(jī)織服用面料，同時(shí)分析了織物組織結(jié)構(gòu)、鎳鈦合金絲直徑以及紗線材質(zhì)對(duì)基于鎳鈦合金絲的服用機(jī)織面料形變性能的影響。主要結(jié)論如下：
a）織物完全組織的緯組織點(diǎn)越多，即鎳鈦合金絲的浮線越長時(shí)，面料的形變時(shí)間較短，形變程度越大，回復(fù)性較好，當(dāng)面料浮線長度增加到一定程度，面料的形變性能會(huì)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(shí)間較短，形變程度越大，回復(fù)性較好，當(dāng)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(huì)趨于穩(wěn)定不變。
c）帶有彈力且表面光滑的紗線材質(zhì)更有利于提高服用機(jī)織面料的形變性能。
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