形狀記憶織物的開發和研究設計

王學文 陳闊 尹田田

摘?要：近年來智能紡織品受到了人們廣泛的關注，形狀記憶材料以其特有的記憶功能成為了當下不可忽視的一個研究熱點。本研究開發形狀記憶合金在衣物上的功能應用，模仿瞬時隔熱組合布料的結構，設計了一種新型形狀記憶彈簧并將其添加到舞臺服裝面料的織物中。

關鍵詞：形狀記憶合金;服裝;彈簧;溫度

形狀記憶材料在紡織上的應用剛起步，將其添加入衣物中，實現某些特殊功能，現階段已經可以增加衣物的保暖性和透濕性，實現衣物的絕緣、免燙整理等，其中形狀記憶合金主要應用于衣物的裝飾方面。本設計基于此，利用形狀記憶合金，開發其功能性，與舞臺服裝相結合，使服裝在舞臺燈光的照射下由于溫度變化能夠自由膨脹或收縮，從而配合舞臺表演的多元化。

大部分形狀記憶合金是通過熱彈性馬氏體相變而呈現形狀記憶效應，實質就是在溫度的作用下，材料內部熱彈性馬氏體形成、變化、消失的相變過程的宏觀表現。

1 基本原理

把形狀記憶合金加工成寶塔形狀的螺旋彈簧，將它壓縮成扁平狀固定在衣物面料內。當衣物表面接觸高溫時，形狀記憶合金的形變被觸發，由初始時的平面狀快速轉變為寶塔狀，在兩層織物之間撐起一定的空間形成空氣層，使人體皮膚能夠遠離高溫，有效地避免了發生燙傷。之后，隨著外界環境溫度的冷卻，寶塔狀的形狀記憶彈簧將會恢復成低溫初始時的平面狀。

借鑒這一原理，本文設想將形狀記憶合金彈簧添加到更貼近于人們生活的服裝中。

2 形狀記憶彈簧的設計

達到一定溫度，蚊香型形狀記憶合金彈簧會自動彈起，由于其結構上小下大，冷卻后只能通過壓縮的方式恢復成扁平狀。而圓柱形形狀記憶合金彈簧的上下直徑相同，冷卻后可以自動恢復成原來的形狀。

實驗結果表明蚊香型鎳鈦形狀記憶合金彈簧的變形溫度低于圓柱型，且變形溫度低于44℃，可以更好地保護人體不受傷害，同時，考慮到蚊香型形狀記憶合金彈簧在形變前體積比圓筒型更小，添加到織物中對織物厚度增加影響更小，更適合于應用于舞臺服裝中，所以最終選取蚊香型形狀記憶合金彈簧。

但需要注意的一點是，形狀記憶彈簧的作用過程中，會發生熱能的改變，熱量同樣會傳遞到人的皮膚上。本文設計形狀記憶彈簧與舞臺服裝的結合，由于舞臺服裝中不存在防火隔熱服的阻燃內層織物，同時舞臺服裝多數較為輕薄，與皮膚也較為貼近，因此需要在內層面料加一塊絕緣片與彈簧連接，從而避免為激發彈簧形變的高溫對人體皮膚造成傷害。同理，通過在外層面料與彈簧之間加裝傳導片的方式來加快熱量的散發。根據此原理并參照瞬時隔熱組合面料的設計，本文初步構思的形狀記憶彈簧如下圖所示。

3 應用拓展

根據不同織物的面密度以及蚊香型鎳鈦形狀記憶合金的彈力大小，計算需求的形狀記憶合金彈簧個數。將彈簧添加到織物中后，測試并記錄反應溫度，確定不同彈簧個數對不同需求下的反應溫度是否有影響。之后可以根據進一步實驗調整彈簧在織物中分布的位置，以求達到最佳的激發效果。

4 結論

由此設計的織物制成的服裝將能夠根據溫度變化，智能控制服裝的變形以及形狀恢復，比傳統意義的服裝更為有趣，可以應用到婚禮的婚紗以及舞臺服裝等多領域服飾中，讓人們的服裝表現更為多樣。

然而，形狀記憶合金的功能實現需要不斷熱、冷卻，材料的變化有一定的遲滯性，所以在實際服裝制作及舞臺表演中出現的問題和漏洞還需在實際應用中進一步發現和解決。

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基金項目：齊魯理工學院2018年教學改革研究項目：應用型高校大學物理實驗教學改革（JG201858）

通訊作者：王學文（1994-），男，碩士研究生，研究方向：物理教學。