含有鎳鈦合金絲的服用機織面料的形變性能

摘 要：為開發(fā)具有形狀記憶功能的服用機織面料，利用鎳鈦合金絲為局部緯紗，織造了13種服用機織面料，研究面料組織結構、鎳鈦合金絲直徑以及紗線材質對面料的形變時間、形變程度和形變回復性的影響。結果表明：織物完全組織的浮線越長，鎳鈦合金絲直徑與紗線直徑的比值越大，紗線的彈性和光滑程度越高，面料樣品的形變性能越好。但浮線長度、鎳鈦合金絲直徑與紗線直徑的比值、紗線彈性和光滑度增加到一定程度后，面料的形變能力基本恒定。研究結果可為含有鎳鈦合金絲的服用機織面料開發(fā)提供參考，有助于機織形狀記憶面料在服裝上的設計應用。

關鍵詞：形狀記憶合金；鎳鈦合金絲；智能變形；形變性能；服用面料

中圖分類號：TS106

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X（2025）03-0118-08

收稿日期：2024-03-11 網絡出版日期：2024-06-29

基金項目：北京市教育委員會科學研究計劃資助項目（KM202210012009）；2022年北京高等教育“本科教學改革創(chuàng)新項目”（202210012002）；2023年北京市高等教育學會面上課題（MS2023292）；市屬高校分類發(fā)展-北京服裝學院“服裝學”新興交叉學科平臺建設項目（11000024T000003073871）

作者簡介：王陽（1979—），女，副教授，主要從事紡織材料創(chuàng)新產品設計、紡織面料與流行圖案設計、可持續(xù)性產品設計方面的研究

通信作者：胡凱寧，E-mail：singer_eunice@163.com

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0.3 mm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生材料織造機織面料，使面料產生形變，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0.25 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），MV-CS060-10GC型相機（杭州?？低晹?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30 min，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1.5 mm。如圖1所示，樣品經密、緯密均為110 根/10cm，幅寬設定為8 cm，織造長度為2.5 cm，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為設定的組織結構（見圖1的實線區(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。

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、0.40 mm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0.30 mm的鎳鈦合金絲與5種不同材質紗線織造1/3斜紋組織的樣品，紗線選用如下：經緯紗都為滌綸、經紗滌綸緯紗高彈力紗、經緯紗都為芳綸、經緯紗都為高彈力紗、經緯紗都為錦綸腈綸混紡紗，樣品分別命名為B1、B2、B3、B4、B5。

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1.3 V，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23 N的力，時間為60 s，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0.30 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種組織結構的樣品的形變時間如圖3所示，裸絲的形變時間為3.47 s，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、6.28 s。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。不同織物組織結構樣品數(shù)據(jù)對比如圖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)中具有相同的經浮長，但經組織點數(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、0.40 mm的裸絲的形變時間分別為3.32、3.47、3.81 s，A2、A3、A4的形變時間分別為13.61、6.62、6.41 s。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樣品沒有產生變化，P值仍為樣品左右端點的長度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，產生的摩擦阻力阻礙了樣品形變的效果^［20］。

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。

2.3.1 形變時間

直徑為0.30 mm的裸絲以及采用不同紗線材質與直徑為0.3 mm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3.47 s，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、7.03 s。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、2.88 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13所示B1、B2、B3、B4、B5的R值分別是7.44、7.18、7.68、6.83、7.36 cm，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。

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Deformation properties of wearable woven fabrics based on nickel-titanium alloy wires

WANG Yang， HU Kaining， ZHANG Changhuan

（School of Materials Design amp; Engineering， Beijing Institute of Fashion Technology， Beijing 100029， China）

Abstract： The rapid development of smart wearable technology has driven the growth in demand for smart clothing fabrics. These fabrics need to have good intelligent deformation properties. At present， the realization of this function mainly relies on inflatable structures or deformation components， of which deformation components are divided into two categories：mechanical alloys and shape memory alloys. Mechanical deformation components have strong visual effects and are suitable for decorative clothing， but affect comfort; while shape memory alloy materials have little impact on comfort， but require high weaving techniques. For woven fabrics based on nickel-titanium memory alloy wires， the parameters of the nickel-titanium alloy wires， the fabric structure， the type of yarn used， and the weaving density all affect the deformation properties of the fabric. In recent years， there have been relatively little research on woven deformable fabrics based on shape memory alloy materials for apparel applications.

This paper used nickel-titanium memory alloy wires as local weft yarn to weave 13 types of woven fabrics for apparel. It studied the impact of fabric structure， nickel-titanium alloy wire diameter， and yarn materials on the deformation time， deformation degree， and deformation recovery of the fabrics. Results of the research on the deformation time of samples indicated the following：the longer the float line of the nickel-titanium alloy wire， the greater the ratio of nickel-titanium alloy wire diameter to yarn diameter， the higher the elasticity or smoothness of the yarn， and the shorter the deformation time of the sample. Results of the research on the deformation degree indicated the following：the longer the float line of the nickel-titanium alloy wire， the higher the elasticity or smoothness of the yarn， and the greater the degree of deformation of the sample. For the test of the deformation recovery of the sample， the results were as follows：the longer the float line of the nickel-titanium alloy wire， the higher the elasticity of the yarn， and the better the deformation recovery of the sample.

The study draws the following conclusions：the more weft structure points in the complete fabric， that is， the longer the float line of the nickel-titanium alloy wire， the fabric exhibits shorter deformation time， greater deformation degree， and better recovery. When the float line of the fabric increases to a certain extent， the deformation property of the fabric tends to stabilize. The larger the ratio of the diameter of the nickel-titanium alloy wire to the diameter of the yarn， the fabric exhibits shorter deformation time， greater deformation degree， and better recovery. When the ratio of the diameter of the nickel-titanium alloy wire to the yarn diameter increases to a certain extent， the deformation property of the fabric tends to stabilize. Yarn materials with elasticity and smooth surface are more conducive to improving the deformation property of woven fabrics for apparel.

Keywords：shape memory alloy; nickel-titanium alloy wire; intelligent deformation; deformation properties; wearable fabrics