织物衍射特性的研究——丝袜衍射

在传统的印染行业中，通常采用化学染料和染色剂进行染色，获得的颜色是化学色，这种方式不仅在生产过程中会对环境造成了污染，而且上染的颜色会随着时间推移出现褪色的情况。与这种化学色相对的结构色具有明亮、颜色多变、不褪色、污染小等优点。

结构色是由于物体本身微米级或者纳米级的物理结构（微纳结构）和光线发生干涉、衍射和散射等相互作用而产生的色彩。其中，基于布拉格衍射原理产生结构色的光子晶体结构色织物受到了广泛的关注。光子晶体是由具有不同折射率的材料周期性排列而形成的人工微结构。光子晶体最主要的结构特征为光子带隙。当光子晶体的带隙落在可见光范围内时，某一频率范围的可见光将不能在此周期性结构中传播，而是被反射回来并与其相互作用产生结构色。将微球颗粒自组装到不同的针织物表面可以获得光子晶体结构色织物。

文献报道，织物表面结构色可见光反射光谱常出现多波长特征，不同材质和组织结构的织物在相同工艺条件下均能出色，但其出色效果不同。以上研究表明，除光子晶体有序性外，织物本征胞腔或微孔结构及纤维间隙也会影响织物结构色。本项目旨在研究织物自身组织结构的衍射，以及外力对织物的组织结构和衍射特性的影响，为织物自身组织结构对织物结构色的影响和织物自身结构色的研究提供参考。

研究思路如下。首先，选择合适的织物作为研究对象，综合考虑织物的材质、结构、成本三方面，选择了三种有代表性的丝袜进行研究。其次，制作复杂结构样品，对其衍射特性进行研究，根据衍射特点判断其组织结构。再者，研究外力对丝袜组织结构和衍射图案的影响。然后，根据丝袜的网格结构建立模型，从理论上推导出衍射的光强表达式，利用软件进行仿真模拟。最后，将仿真结果与实验结果对照分析，验证模型的合理性，也为研究织物结构色建模提供参考。

实验器材：塑料瓶盖、包芯丝丝袜（短袜）、水晶丝丝袜（长袜）、天鹅绒丝袜（短袜）、砝码、光学数码显微镜、CCD相机、透镜、激光器、光具座等。塑料瓶截去瓶身，利用激光切割技术给瓶盖打孔（孔径 2 cm），利用另外一个瓶口比样品最宽部分略小一点的瓶子（去底）给丝袜均匀施加外力，最后用打孔的圆口瓶盖对其进行固定。图 1 为施力操作和制作好的衍射样品。

结合Solidworks建模和3D打印技术，打印样品底座和支架等，在光具座上搭建衍射实验装置，如图 2 所示。激光经过衍射元件发生衍射成像在观测屏上，然后用CCD相机拍照。相机前加透镜主要是为了去掉周围杂光。可以在激光器前加透镜使入射光更接近平行光，加偏振片减弱光强。也可以在衍射元件后加汇聚透镜，汇聚透镜和观测屏之间距离为汇聚透镜的焦距f。

图 3 为三种不同种类丝袜的衍射对照图。观察衍射图案(图3(a))，发现包芯丝丝袜的衍射图案为以中心亮斑为中心的同心圆环，类似多圆孔结构的衍射图案；水晶丝丝袜的衍射图案为穿过中心亮斑的三条亮线，类似三角孔的衍射；而天鹅绒丝袜的衍射图案为规则排列的一些亮点，类似多方孔的衍射图案。为了验证这一猜想，我们利用数码显微镜分别观察这三种丝袜的显微结构(图3(b))。由三种丝袜的显微结构（图中标尺为mm尺）可知，包芯丝丝袜的显微结构可以视为大、小圆孔周期排列的复杂结构；水晶丝丝袜的显微结构可以视为大三角孔和小矩孔周期排列的复杂结构；而天鹅绒丝袜的显微结构可以视为大、小矩孔周期排列的复杂结构。这与之前根据衍射图案的猜想较为符合。为了避免实验的偶然性，以及进一步验证猜想的合理性与科学性，接下来将对丝袜施加大小不等的力，并对其衍射图案和显微结构进一步研究。

图 4 为不同外力包芯丝丝袜衍射对照图。图 4(a) 为不同外力作用下包芯丝丝袜的显微结构（图中标尺为mm尺），通过视觉观察发现无论是大圆孔还是小圆孔的孔径均随着外力的增大而增大。为了研究孔径随外力的变化情况，我们利用HiView软件进行定标，测量大小圆孔的孔径，并利用Origin软件绘图。图 5 分别为包芯丝丝袜孔径和孔径变化率随外力变化关系图。

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