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纺织品结构特征－纸为什么不能做衣服？
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很长时间没有悠闲的心情来网上转转了，正值清明假期，难得的艳阳天，心情也似这晴朗的天空，许多工作中的烦心事暂且置之脑后，可以想一下专业中一些有趣的问题。
最近给研究生上《纤维集合体力学》课程，讲到一个问题：纺织品的结构特征，同时衍生出一个问题：纸为什么不能用于做衣服？课堂上同学们讨论：雨一淋衣服就化了，纸衣服穿得不舒服，纸容易烧起来，纸不透气，不能排湿除汗等等，一系列的答案就出来，完全正确。为此我还特意留了这样一个作业，让同学们在假期里可以好好想想。
纺织品作为一类固体材料，在所有材料力学书上都没有被讨论过。衣服穿了几千年，跟我们的生活不能说不密切，可是就是没有详细研究过。材料力学著作大师铁摩辛柯[S.Timoshenko (1878-1972)]从早期1925年的Applied elasticity，到1959年的Theory of Plates and Shells， 到1972年去世时的Mechanics of Materials，都没有讲过一丁点的关于织物的力学特性。顺便讲一句，大师早年在乌克兰颠沛流离，后来到美国University of Michigan和Stanford University任教，培养出极多的大师。在斯坦福大学的工程图书馆(Engineering Library)里3楼靠墙的地方[2010年新工程图书馆里就不知道在什么地方了]，专门有一个“Timoshenko书柜”，里面是Timoshenko给学校捐赠的藏书，很多老书，我看到的最久远的好像是16世纪的书，书柜用锁锁了，不让随便翻阅；在该校航空航天系的Durand Building的2楼东侧还有一个以他名字命名的会议室"Timoshenko Room"，前来该会议室学术研讨的人都会讲到Timoshenko。他家在斯坦福大学旁边的Palo Alto小镇里的West Crescent Drive，1964年到西德Wuppertal 女儿家里一直到去世，骨灰安放在Palo Alto的Alta Mesa公墓，我也曾怀着对大师的敬仰，去墓地瞻仰过一次。清明假期，正好写到他，也算对他的一种纪念。
在通常的工程材料中，如果连续介质受力发生内部结构不连续现象，发生多孔现象，产生屈曲，产生大位移和变形，一般意味着材料的失效，这是通常工程材料研究的终止点。因为工程材料最多的研究是在小应变小变形到材料弹性屈服这一阶段，不可能想象比如飞机结构产生大变形、大屈曲的受力情况。而对于纺织材料和纺织品，在小应力下的大变形和大屈曲正是其价值所在。纺织品通常是多孔的，柔软的，可以产生多重屈曲的，在自身重力下即可产生大位移和变形的，否则铁板一块的衣服怎么穿。纺织品产生不连续变形、产生多孔现象、具有大位移和变形，才是纺织品力学研究的起点，也是最有趣的现象，通常的材料力学教科书里根本无法想象会有这种类似的材料。
纺织品由柔软纤细的纤维通过相互的纠缠和摩擦，形成稳定的结构。在结构形成中会有纺纱、织造(或非织造)等加工技术。纺织品兼具柔软和强度，无论多厚的纺织品都具有柔软性，如厚度可达1cm的呢料，无论多薄的织物都具有较好的强度，如厚度0.1mm以下的长丝织物。高品质的纺织品需要高品质的纤维和复杂的加工流程。这也是纺织制造过程流程长、参数多、因子多的主要原因。
假如采用快速的加工方法呢？比如用造纸的方法，把纸浆形成很薄的纸，岂不是很方便快速？但是纸不具有纺织品的特性：除低撕裂强度、易折皱、底湿强、表面太光滑无纹路、过于致密等缺点外，与纺织品最大的差异是纸不具有双曲率特征：纸在单轴方向可以很方便地卷起来，但是不能在正交两个方向同时卷曲。如果这样，纸面将形成尖点，而不会形成光滑的双向弯曲曲面。这个例子我经常在课堂上给同学们演示：拿张A4纸，可以卷成一个圆筒，假如从长度和宽度两个方向同时卷，将出现纸面的尖点。纺织品则可以具有光滑的双曲率现象，衣服可以具有很优雅的悬垂形态，或随人体运动具有很舒适的屈曲现象。
通常的工程材料为了达到柔软的效果，只能降低材料厚度。而纺织品通过其中纤维间的相互滑移，使得纺织品很柔软，但是又不会失去结构整体性，同时通过纤维间的滑移消除织物中的应力集中现象。例如：把纸揉成一团，再往桌面上一放，还是一团；但是一块布揉成一团，再往桌上一放，基本可以摊平，品质好的织物连褶皱都不会有。为什么？在变形尖点处具有很大的应力，纸里面的木浆纤维由于相互固结不能滑移，应力无法消除，褶皱一直存在，还易在尖点处破损；而织物借助纤维间的滑移，使应力很快释放，形成光滑的布面。
纺织品具有在低应力下的大变形特征，我们穿的衣服都是处于很低的应力状态，远低于织物的强度，但是在很低应力下有大变形和大屈曲，具有漂亮的外观曲面形态，具有美观的褶皱。这正是纺织品的特点。而纸中的纤维由于被固结成类似纤维增强复合材料的特点，纤维间无法产生相对位移，虽然很软，但无法具有纺织品的特征。所以形成纺织品特性的结构根源是：纺织品中纤维间的摩擦和滑移！
https://blog.sciencenet.cn/blog-39184-308561.html
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最近给研究生上《纤维集合体力学》课程，讲到一个问题：纺织品的结构特征，同时衍生出一个问题：纸为什么不能用于做衣服？课堂上同学们讨论：雨一淋衣服就化了，纸衣服穿得不舒服，纸容易烧起来，纸不透气，不能排湿除汗等等，一系列的答案就出来，完全正确。为此我还特意留了这样一个作业，让同学们在假期里可以好好想想。
纺织品作为一类固体材料，在所有材料力学书上都没有被讨论过。衣服穿了几千年，跟我们的生活不能说不密切，可是就是没有详细研究过。材料力学著作大师铁摩辛柯[S.Timoshenko (1878-1972)]从早期1925年的Applied elasticity，到1959年的Theory of Plates and Shells， 到1972年去世时的Mechanics of Materials，都没有讲过一丁点的关于织物的力学特性。顺便讲一句，大师早年在乌克兰颠沛流离，后来到美国University of Michigan和Stanford University任教，培养出极多的大师。在斯坦福大学的工程图书馆(Engineering Library)里3楼靠墙的地方[2010年新工程图书馆里就不知道在什么地方了]，专门有一个“Timoshenko书柜”，里面是Timoshenko给学校捐赠的藏书，很多老书，我看到的最久远的好像是16世纪的书，书柜用锁锁了，不让随便翻阅；在该校航空航天系的Durand Building的2楼东侧还有一个以他名字命名的会议室"Timoshenko Room"，前来该会议室学术研讨的人都会讲到Timoshenko。他家在斯坦福大学旁边的Palo Alto小镇里的West Crescent Drive，1964年到西德Wuppertal 女儿家里一直到去世，骨灰安放在Palo Alto的Alta Mesa公墓，我也曾怀着对大师的敬仰，去墓地瞻仰过一次。清明假期，正好写到他，也算对他的一种纪念。
在通常的工程材料中，如果连续介质受力发生内部结构不连续现象，发生多孔现象，产生屈曲，产生大位移和变形，一般意味着材料的失效，这是通常工程材料研究的终止点。因为工程材料最多的研究是在小应变小变形到材料弹性屈服这一阶段，不可能想象比如飞机结构产生大变形、大屈曲的受力情况。而对于纺织材料和纺织品，在小应力下的大变形和大屈曲正是其价值所在。纺织品通常是多孔的，柔软的，可以产生多重屈曲的，在自身重力下即可产生大位移和变形的，否则铁板一块的衣服怎么穿。纺织品产生不连续变形、产生多孔现象、具有大位移和变形，才是纺织品力学研究的起点，也是最有趣的现象，通常的材料力学教科书里根本无法想象会有这种类似的材料。
纺织品由柔软纤细的纤维通过相互的纠缠和摩擦，形成稳定的结构。在结构形成中会有纺纱、织造(或非织造)等加工技术。纺织品兼具柔软和强度，无论多厚的纺织品都具有柔软性，如厚度可达1cm的呢料，无论多薄的织物都具有较好的强度，如厚度0.1mm以下的长丝织物。高品质的纺织品需要高品质的纤维和复杂的加工流程。这也是纺织制造过程流程长、参数多、因子多的主要原因。
假如采用快速的加工方法呢？比如用造纸的方法，把纸浆形成很薄的纸，岂不是很方便快速？但是纸不具有纺织品的特性：除低撕裂强度、易折皱、底湿强、表面太光滑无纹路、过于致密等缺点外，与纺织品最大的差异是纸不具有双曲率特征：纸在单轴方向可以很方便地卷起来，但是不能在正交两个方向同时卷曲。如果这样，纸面将形成尖点，而不会形成光滑的双向弯曲曲面。这个例子我经常在课堂上给同学们演示：拿张A4纸，可以卷成一个圆筒，假如从长度和宽度两个方向同时卷，将出现纸面的尖点。纺织品则可以具有光滑的双曲率现象，衣服可以具有很优雅的悬垂形态，或随人体运动具有很舒适的屈曲现象。
通常的工程材料为了达到柔软的效果，只能降低材料厚度。而纺织品通过其中纤维间的相互滑移，使得纺织品很柔软，但是又不会失去结构整体性，同时通过纤维间的滑移消除织物中的应力集中现象。例如：把纸揉成一团，再往桌面上一放，还是一团；但是一块布揉成一团，再往桌上一放，基本可以摊平，品质好的织物连褶皱都不会有。为什么？在变形尖点处具有很大的应力，纸里面的木浆纤维由于相互固结不能滑移，应力无法消除，褶皱一直存在，还易在尖点处破损；而织物借助纤维间的滑移，使应力很快释放，形成光滑的布面。
纺织品具有在低应力下的大变形特征，我们穿的衣服都是处于很低的应力状态，远低于织物的强度，但是在很低应力下有大变形和大屈曲，具有漂亮的外观曲面形态，具有美观的褶皱。这正是纺织品的特点。而纸中的纤维由于被固结成类似纤维增强复合材料的特点，纤维间无法产生相对位移，虽然很软，但无法具有纺织品的特征。所以形成纺织品特性的结构根源是：纺织品中纤维间的摩擦和滑移！
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