拉胀材料由于负泊松比特性而表现出不同于传统材料(正泊松比值)的优异的物理机械性能,在过滤、生物医用、航空航天等领域都表现出了广阔的应用前景。拉胀材料自提出以来,一直受到各学科学者的持续关注和探讨,如拉胀纺织材料的研究和创新,包括拉胀纱线与拉胀织物的结构成形、性能表征等相关内容。最早提出的拉胀纱线主要是由芯纱和包缠纱两组分构成的螺旋包缠复合结构,此结构的复合纱线在轴向拉伸作用下由于两组分的性能差异和相互作用使得纱线整体轮廓直径增大,从而产生负泊松比效果。根据已有的研究结果,初始包缠角度较小的螺旋结构拉胀复合纱负泊松比效果较好。然而,考虑到拉胀纱线的实际应用,该结构中两根长丝的包缠关系存在一定缺陷,一方面,在无张力状态下,该复合纱线的头端部分容易脱散,即螺旋形态的包缠组分从芯纱上退绕下来,造成纱线整体结构的不稳定和不完整;另一方面,纺纱成形过程中的加捻作用使得拉胀纱线内部存在残余扭矩,造成纱线的不均匀扭结。上述两个问题也是螺旋拉胀纱线局限于理论和实验研究而较少投入实际应用的原因之一。此外,目前两组分螺旋结构拉胀纱的几何模型以及有限元模型的分析都忽略了纱线两组分间的相互作用力,偏离了纱线的实际变形过程,这也导致理论计算结果与实测泊松比值存在较大差异。因此,对拉胀纱的结构及成形工艺进行改进和创新并优化理论模型,进一步的剖析螺旋结构拉胀纱的作用机理,为纱线选材及结构设计提供有价值的参考依据,具有重要的学术和实用意义。本课题在现有基础上主要围绕上述螺旋拉胀纱线的结构成形和性能稳定性问题展开:(1)提出了基于后处理、结构创新、成形设备的三种改进方法,得到了形态、结构、性能良好的拉胀纱,并对重要结构参数,包括初始螺旋角度、纱线两组分的细度与模量等,对纱线拉胀效果的影响展开了系统性的讨论;(2)建立了有限元模型和力学模型,分析了纱线两组分变形过程中的相互作用以及复合纱线的拉胀机理,包括变形过程中纱线中心线的变化轨迹以及纱线径向应变随轴向应变的变化,提供了泊松比值的预测模型以及制备拉胀性能显著的复合纱的选材与结构参数设计原则;(3)制备了基于拉胀纱的机织物,并对织物试样进行了基本性能测试和表征以及可应用性的基本探讨,基于织物的性能和特点提出拉胀纺织材料在服用材料、包覆材料和过滤材料等方面的潜在优势以及预期效果。各部分涉及到的具体结果和结论如下:(1)解决纱线结构与性能稳定性的三种方法:第一种方法是基于纺织材料成形后处理工艺的热定型方法,通过在两组分复合纱线结构中引入第三组分低熔点尼龙长丝(熔点为80℃),并对成形后的复合纱在高于低熔点长丝熔点温度下进行恒温热定型处理,结果表明:经100℃热定型处理的拉胀复合纱线组分间的粘结作用增强,螺旋包缠结构的脱散问题以及负泊松比效果均得到改善和提高;第二种方法是基于螺旋包缠结构提出了交叉螺旋包缠结构的拉胀复合纱线,即利用编织技术将两根刚性长丝作为包缠纱对称包缠在芯纱表面,通过对复合纱线轴向载荷作用下轮廓直径测试,结果表明:在相同材料以及相同结构参数的情况下,该新型结构的拉胀纱线相较于常规拉胀纱结构更稳定且具有更好的负泊松比效果;第三种方法是针对螺旋拉胀纱线因加捻成形过程造成的残余扭矩以及无张力状态下扭结问题,选用空心锭式纺纱机进行纱线的制备,在减小成形过程中纱线组分自身捻度的同时,结合调整两组分的喂入速度和纺纱张力,实现包缠组分对芯纱组分的稳定螺旋包缠。(2)上述三种方式从后处理工艺、结构、成形设备等三个角度针对性地解决了螺旋包缠拉胀纱的结构稳定性问题,由于基于空心锭式纺纱系统成形的两组分螺旋包缠复合纱结构稳定,拉胀效果明显,纺制装置及方法相对成熟,因此,采用有限元软件进一步对该结构拉胀纱线的轴向拉伸变形进行了建模和分析。首先建立芯纱组分的圆柱形几何结构模型和包缠组分的螺旋状几何结构模型,在验证了模型中涉及的基本参数如单元数和网格尺寸等的有效性后,对比分析了纱线结构参数之一的初始螺旋角度以及纱线组分的泊松比对拉胀纱线径向应变以及负泊松比效果的影响。结果表明,初始螺旋角度较小、纱线组分的泊松比接近零时复合纱线的拉胀性能较好。此外,将两根螺旋拉胀纱线对称平铺排列,在轴向作用力下,由于两根纱线分别产生向外侧的弯曲变形,使得纱线整体表现出相较单根负泊松比纱更显著的拉胀效果,同时整体因变形产生的孔隙也随着轴向拉伸变形过程呈动态变化。(3)由于两组分的性能差异,螺旋结构复合纱线在轴向拉伸变形过程中外轮廓增大表现出拉胀效应。为了探究拉胀变形性能与机理,对复合纱线进行了力学建模。基于该力学模型讨论了纱线两组分接触表面的相互作用力对芯纱径向应变的影响,构建了沿径向的正压力与纱线结构参数的关系。因此,可以在考虑纱线两组分相互作用力的情况下,计算复合纱线整体在变形过程中的轮廓直径变化以及泊松比值。经对比验证,该理论计算结果与实验测试结果一致性较好,可以作为螺旋拉胀纱线泊松比值的预测模型。(4)对拉胀纱线成形过程以及变形过程的分析主要是对其可应用性讨论奠定基础,因此,利用拉胀纱线制备了一系列机织物,通过对织物性能的测试和表征,结果表明,基于不稳定结构螺旋拉胀纱的织物具有自卷边、自折叠以及沿45°方向的拉胀特性且计算得到织物在拉伸应变为100%时的负泊松比值为-0.3;基于稳定结构的螺旋拉胀纱织制的织物耐冲击性及能量吸收方面较非拉胀纱构成的织物优势明显,同时沿经纬向的断裂应变也相对较大,大大改善了普通织物在受力作用下的应力集中问题,同时也表明了拉胀纱线在过滤材料、包覆材料、防护材料、时装设计等方面的可应用性。本课题对拉胀纱线结构成形、变形机理、可应用性的讨论和分析均具有一定的科学价值和社会意义,提供了结构稳定、拉胀效应明显、可连续生产的负泊松比复合纱以及基于有限元模型和力学模型的拉胀机理分析和拉胀性能理论预测模型。另外对基于拉胀纱线的机织物的可成形性和基本性能以及可应用性的讨论也有益于拉胀纺织材料的相关产品研发及拓展应用,为拉胀纺织材料的设计、选材和工艺等提供参考。