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绪论
纺织材料学
2、纱线发展及引出的问题
纱线是通过加捻将短纤维连续并具有强度和弹性；将长丝相互抱合 形成稳定形态；或将多根纱、丝复倂集合的细长物。其作为绑扎、系挂 的工具比纤维还早使用，那时只是选用细草束和细藤枝的绳。 而加捻是 人类的智慧之举， 不仅可使纱线成形与变形，而且可以通过喂入方式和 张力变化获得花式纱线。
人们不仅可以通过加捻方法使纱线成形和变形，而且可以通过喂入 方式和张力变化获得花式纱线。其基本成形与区别如图12所示，是一个 从简单加捻组合或直接合并到复杂多轴系的组合；从只有加捻 (短纤) 和 粘合(生丝)方式到引入编织和纠缠机制(空气变形或气流混乱化纠缠); 从 纺纱、纺丝、合股成线的独立，到纱、丝成“线” 的一步完成，都体现了 纤维→线状纤维集合体过程中的组复合、相互作用和一次成形的思想。
这完全跳出了传统概念中的纱→线→绳的短纤体系及组合变粗的定 势，使纺织材料在纱线这一领域中变得成熟、丰富和完整。
一、纺织材料发展中的问题 2
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纱线不仅仅是一个由短变长（短→长）的过程，
而且是长→匀、单→复、匀一→复杂的过程，涉及纱、 丝、线及其组合复合体。
图12 纱线的成形与区别及可能的提示
长丝束（丝）
复合结构纱
花式线
单、双、多的复合与组合
短纤纱（纱）
复合结构丝
股线（线）
编织线
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多 轴
单 轴 系
系
短纤纺纱系统中的短纤复合纱和短纤结构纱的出现与发展，是这一过 程最典型的例子。
人们从富有成效的刚硬握持的非自由端纺纱中，质疑了这类纺纱体系 （如环锭纺）的速度和成纱质量，进而转向柔性握持的自由端纺纱，如转 杯纺、涡流纺、静电纺、摩擦纺等。而正是这种转移，促进了传统环锭纺 纱，非自由端纺纱的深入思考、艰苦决择和努力发展。
人们的思维定势是短纤维的纺纱就是要“合” ，哪有“分”之理，即便要 分，也是为了清杂或使纤维伸直， “合”是成纱的天经地义。因此人们能想 到纺纱的分，便是相当创意的想法。
人们开始将两根须条分开进行纺纱，见图13(a)，创造了 “ 自捻纺” ； 又将两根须条靠的很近，见图13(b)，创造了S/S(短/短)纺， 俗称“Sirospun (赛络纺)”；进而干脆对一根须条实施切分，见图13(c)，创造了单须条分 束纺(Solospun)。还有引入长丝束F，形成了S/F(短/长)纺纱，国人大多称 为“Sirofil（赛络菲尔） ”纺纱，实为不实命名。前三个创造都是纺纱领域 中20世纪60~80年代，对环锭纺纱体系的突破性贡献，解决了双边分布的
结构纺纱和人工控制纤维转移的纺纱，为高支单纱织造提供了可能。所有
这些都是发现在一个实验室（CSIRO的羊毛研究所）中的故事。
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图13 纺纱中的分合之道引出的技术进展
一个故事说明什么？ 2
罗拉
小须
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分束 (不动)
双短纤 须条(近)
加捻
罗拉
S S (不动)
加捻 (c)
导纱钩
(a)
长丝束
加捻
短纤
须条
双短纤须条(远)
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罗拉 (动)
直接卷取
“分”
或加捻
环锭
不动
(b)
条
F
S
S
S
从中可以看出这个过程是多么地漫长和艰辛，多么地符合传统科学实 验与摸索的思维定势和进展路线， 一步一个脚印但显得有些笨拙。
因为在这之前、之中有太多的提示与暗示，如纺织本身的纱线合股与 花式纱体系；整经过程的合并，如天然和人工长丝的复合纺丝；如……。 但不管如何，国外成功了，从事研究的科学家和工程技术人员突破了，我 们却在那20世纪纤维和纺织加工工业与技术迅猛发展的时期，在众多暗示 和机遇的时代，在同样享受着传统或“新型”纺纱技术的时刻，却未能产生 类似的实践，哪怕是一些类似的想法。
这可能与我们只注意了解或解释一些新事物与新想法，过多地猎奇或 复制别人的工作，而不去反思这些创造的过程与暗示，尤其是其中规律性 或必然性的东西。
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可喜的是我们在这些技术的分析与了解中，已出现了思考和创新实 践。 如将短/长复合纺技术拓展到非自由端纺纱体系；在传统的环锭纺中 采用多轴系的对称与非对称的复合纺制备高支或超高支纱和回用纤维的高 支、高品质成纱，甚至制备负泊松比纱；采用3~5轴系的非等汇聚点的复 合结构纺纱形成多结构相、优势互补、高弹性、功能化、或形状记忆的复 合结构纱；采用变汇聚点的复合结构纺纱技术制备渐变色的结构纱；采用 短纤维束间歇或脉冲喂入、或偶合渐变喂入的结构纺纱技术制成竹节或结 子纱及渐变色纱；采用对长丝展平和分束的结构复合纺技术进行粗短、硬 脆纤维的高品质呵护式的成纱；甚至产生由静电纳米纺丝直纺微米纱技术 等，这些都是TMT-FSM团队自主知识产权的专利技术。
这些新纺纱技术和复合纱、结构纱和复合结构纱的出现，使人们又产 生新的想法，能否变连续条状喂入为如羽绒或超短纤维的离散喂入成纱？ 能否更稳定和有效地控制纤维的集束和分离而直纺纤维到纱？能否在其他 纺纱体系中实施复合结构纺？能否在纺纱中引入编织复合？ ……这是纺纱 技术与产品发展的新问题。
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与短纤成纱体系一样， 长丝束的成纱同样显得活跃，而且发展更快。
从简单的变形加工，延伸到多组份、异粗细、异长度、异截面、异收缩、 异卷曲的一步成形纺丝，称为异组合加工。 尽管制造的丝不如想象中的那 样完美，且不时地要借助后道的混合与处理， 但至少该工业领域和工程学 科中已在继复合纤维、异形纤维、超细纤维和变形纱技术之后，将这些技 术组合实施到高聚物长丝上，使其直接模仿甚至超越天然短纤维纱线。而 且，更快、更简洁、更清洁地将高聚物熔体或溶液一步变成织造可用的纱 线，甚至织物本身的加工，将原来看似复杂、庞大、漫长而又无法缺少的 纺织过程缩短为简单、轻巧、快捷而又清洁的纺丝加工。
短纤维纺纱已经开始将长丝引入自己的体系，以增强或改性。而长丝 纺丝体系能否也引入短纤进行丝的“节外生枝” （图12虚线）？这是长丝纱 加工中需考虑的问题。已有先例，长满侧向毛羽的雪尼尔纱就是证明。因 此，长丝可以充分利用短纤维、短绒、甚至粉末成为自身加工体系的辅 料。
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能否在纺丝体系下直纺长/短(F/S)复合纱、结构纱和结构复合纱； 能 否在纺丝体系中直接引入后处理方式直纺功能纱；能否在纺丝中引入复合 与编织等，是纺丝技术需考虑的问题。
长丝、短纤都在各自体系中进行繁衍与复合。短纤维纱力图做得如 丝、细长而均匀；长丝纱力图做得像纱、蓬松多毛绒。显然，长短间的交 叠越来越大，共性的问题变得明确，即如何控制纤维的分布与排列和成形 后的结构，而达到扬长避短、优势互补。真正做到要均匀时，粗细稳定不 变；要变化时，能产生各种结、节、点、段的粗细变化或内部组份的变 化；要纤维分布时，能内外转移、功能分担等，使纺纱和纺丝变得自如， 纤维得到更多地呵护，成纱结构变得更为合理，产品品质更优、品种更 多。更为重要的是纺纱变得简洁、低耗和快速。
如今的纱线已不仅仅是加捻成纱，编结、复合、包缠已使纱线从一 维、 一轴体变得多维、多轴体，成为导管、输送线、人工肌腱、光导纤维 等的直接产品。人们已无法守着单一加捻的纺纱体系，而转向组合、多 维、多轴系成形加工系统。
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3、织物发展及引出的问题
机织物的构造应该起源于细韧、硬挺的茎杆、藤类的手工编，进而为 硬挺有张力绳线的手工编织，逐渐转向手工织机的织造和机械化的机织。 织物基本上是平面、二轴系的，为通常说的经纬交织物。常用的机织物发 展至今，仍是原来的两个特征： 一是交叉，为起伏交叉和高覆盖性结构， 只是从单根手工控制到多根机械控制，又回到单根但机械控制的循环发
展；另一是硬挺，因取材偏硬且易形成交叉锁结，故织物以“ 刚硬和稳定” 特征为本。为其刚硬，存在均布的交织点、粘结点（涂层），甚至加厚、 增加交织；为其稳定，采用增加紧密度和加强系间交叉点作用或采用三相 织造来完成。由此出现了多维、多轴系的织机和机织物。机织物的主要变 化是交织点，即经纬纱的起伏，偶尔也加入一些扭结，如纱罗组织。
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针织物的构造源于柔软的草茎或筋肠的绑扎、打结，依赖于其线状的 柔性，进而采用柔软的绳、线、纱进行无张力或低张力的手工圈套、编结, 逐渐转向简单的手工器具(弯曲的勾针或直挺的细棒)的圈套与编织和手摇 机械针织机及自动针织机。其基本上是单轴系、平面状，但为典型三维结 构。 单轴系单根逐个圈套成形，来回逐行递增构成常说的纬编织物；单轴 系多根平行相互串套编织构成常说的经编织物。针织物的变化源要比机织 物多，可源于它线圈的三维空间造形，绑扎、打结、交叉的多元成形方式, 以及弯钩、直棒的逐个控制成圈，是人类使用工具走向文明的象征。
针织物也有两大特征：一是柔软易变形； 一是三维圈套，织物以“柔 性和可变”特征为本。但由于其原本是打结、连接，故打结点的刚硬，或 直接将刚硬杆邦定在一起，便又构成刚性部位；而连接线的柔软多变，形 成柔性部位，是纺织材料刚柔互换与兼备的最好例子。针织物以“单”对复 杂，以“线”对三维、甚至对一次成形的三维结构体，极富艺术性。以至于 现今还有手持一支钩针或数根棒针， 进行着日用品或艺术品的制作，并成 为一种兴趣爱好和艺术陶冶。而进化的机械化设备却用于大宗类针织物加 工。针织物可通过垫纱、铺纱、相互错位、引入多轴系来实现复杂结构。
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机织物和针织物作为纺织材料中的一刚一柔，满足了人们外装需挺、 小变形，内衣要柔、大变形的需求。实现了刚的承力、支撑、稳定与增 强；柔的绑结、互连、应变和弹性之功能。
作为两种方式起源的“编与结” ，孕育了机织和针织一对出色的儿女， 却一直未找到自己的出路，只是一直做着编绳、打结的工作，起着多孔遮 挡、网鱼罩物的清贫、悠闲的作用。直到近50年，其未能发展的单轴系编 织融入于纱线制造技术；而多轴系编织焕发出了青春活力，成为当今机械 自动化、三维、多轴向、连续一次复合成形的最杰出的方法，是现代结构 复合材料制备的象征。本书不展开此方面及其进展的表述，仅简单一提， 望能关注。
事实上， “编(braiding) ”与“结(knotting)” 是机织和针织的父母本， 一 “ 刚”采用杆藤和一“柔”采用草茎，来制作“编物”和“结物”，为承载与隔挡 和绑扎与维系之工具。而编与结的结合为编结物，是刚柔结构结合的典范, 应该与编、结同时出现。其典型代表是绞编(twist-braiding)织物, 见图14。
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(a)实物样品 (b)织物结构
图14 江苏草鞋山出土的绞编织物（距今约6000年）
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辽宁海城小孤山骨针(左下)
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周口店人缝制兽皮用骨针
河姆渡象牙首饰
山西西阴村半茧
10mm
非织造布，是文明进步中循环往复、螺旋上升规律的写照，是人本能 愿望的产物， 即最好是将原料到使用的加工过程变为零，拿来就用。
人类文明起初使用皮革、草垫、纤维絮垫、纸，是最典型的非织造材 料，甚至是不加工材料。非织造加工在近60年中得到了快速地发展，成为 人们简化工艺、节省时间、降低能耗的典范。 这种省去纺纱、织造的 “ 懒 汉” 做法，是明智之举，它给出两个概念， 一是“度” ，二是“省”。
人类没有必要仅仅为证明自己的智慧，令许多过程变得复杂， 而实际 使用的东西，只要性能、功效所至， 越简洁、越明智，这就是度。有了这 个度，就能轻松地做到省，即减少能耗、浪费与污染。这是纺织材料各种 初加工、整理加工、功能加工，纤维选择与利用、纤维混合与复合，乃至 纤维及纤维制品的生产与发展中，都应该遵循的准则。人类要学会约束自 己，别犯或少犯“ 防卫过度”，见前图6。
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织物作为可直接应用产品，正较多较快地转向产业用纺织品；转向非 织造、复合与组合、多轴与三维；转向机织、针织、编织、非织、粘结、 涂层加工体系的组、复合，使织物结构变得更合理、轻巧和功能化。
第一个转向是纺织工业产品调整的最重要的领域， 第二和三个转向是 支撑第一个转向的基础。这将使纺织材料在环保、军事、航空、生物医药, 保健、信息、电子、汽车和运输、建材、农、林、水产、海洋业、体育用 品等诸多领域中得到更广泛的应用。
你是否可以想象：万人体育场屋顶的轻结构复合膜材料需要进口，价 格为2000多 RMB/m2；一套航天员的舱外宇航服高达一亿元人民币； 一根 10厘米左右长度的人造血管价格为1万多元人民币; 美国高技术纤维占化纤 总量 6%，而产值高达化纤总产值的1/2；欧、美、日等先进国家产业用纺 织品占整个纺织品的比例已接近或超过40%，产业用纺织品所创造的价值 已远远超过其纺织品总产值的50%。而我国产业用纺织品的比例2014年近 25%。这与服装用、装饰用、产业用纺织品的三分天下均值仍相去较远。
其根本原因在于这类技术纺织品的材料与加工技术，这是一个从纤维
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4、表征方法的发展及引出的问题
纺织材料的发展，纺织材料的物尽其用，纺织材料的品质及其度，纺 织材料加工或处理的效果，纺织材料的功效和持久性， 均依赖于我们对纺 织材料的认知。而此， 又依赖于对材料本身和其成形过程的表征。
纤维材料的结构、性能及其相互关系的表征，几乎源于对天然纤维的 表达。主要体现在国外检测技术和方法的发展，即便是对高分子物理和生 物观察的近代物理分析方法。棉不是中国的源产， 美国人大面积种植与改 良，提出了系统的评价方法与手段，即HVI和相关的ASTM标准；毛也非 中国的源产，澳洲人的引进、培育、 改良，成为当今世界最大、最优良细 羊毛的生产国， 誉为骑在羊背上的国家，基本解决了羊毛的系统评价和实 用表征方法（如ATLAS、SiroLan-LaserScan、OFDA等）以及IWTO采纳 的标准及测量方法。
丝作为中国人的自豪，曾启迪了人工纺丝的想法和促成了差别化纤维 的诞生， 却拿不出有效实用和自主创新的评价方法，仍守着祖先手感目测 的方法。而麻纤维，品质极为优秀的“ 中国草”——苎麻和近年国人关注的
大麻、罗布麻、亚麻、甚至所有的麻，仍处于杂乱如“麻” 的状态， 至今未
像棉、毛那样，有客观、有效、精准的评价体系和表征方法。
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纱线的结构和性能的表征, 国内除了显微观察和图像处理技术的应用, Uster 仪器几乎一统天下地包揽了纱线品质评价的所有方法与技术；虽有 Lawson-hemphill公司的光学电子黑板条干仪与之抗衡,但也都是舶来之品。
织物的表征，在一般产业中的应用，世界都是上世纪30~50年代就已确 定的方法， 甚至用洗衣机洗涤一下织物， 对照样卡就能进行评价。较为客 观和具有理论指导意义的是织物手感（hand）与热湿舒适性（comfort）的 评价方法与仪器，如川端的KES，澳大利亚联邦科学院(CSIRO)的FAST。 在动态悬垂表征、起毛起球机制表征和有限元法模拟织物造形，以及织物 接触与刺痒不适感测量和多种暖体假人模型测量装置上，国外多有建树，
国人也有贡献，并已获得一些结果和提出相应的理论。
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而由科学表征、抽象思维产生的理论，绝大多数是国外学者的贡献。纺 织材料领域至今大家都在用着的：
Hearle教授的缨状原纤理论、纤维转移理论和纱线力学分析；
Peirce博士的吸湿、弱环、弯曲、织物结构的理论；
Binns、Peirce、川端季雄、 Postle等织物手感风格的观点与理论；
Woodcock的织物舒适性的透湿指数等，
以及高分子材料科学中的许多经典理论和方法。
纺织材料的科学与理论虽然在发展，在突破，但相对较慢、较小，而且 中国在其中的贡献还很不起眼。
产业用、特殊防护用，以及纺织材料的安全与可靠的表征；纺织材料感 觉与舒适的物理、生理和心理作用的分离或联系的表征，仍是较为单薄和欠 缺的内容。
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三、应关注的知识及思考
人们需要清洁、生态的纤维；要求高效、低耗、简洁的纺织加工和安 全、有效、生态的后整理加工；希望产品的结构能被调控，使材料的性能 得以充分实现；追求整个加工体系变得合理、无冗余且柔性可变，以适应 多品种纤维制品的加工与开发。
但根本要求有二：
第一、材料的加工清洁和使用安全，符合生态准则；
第二、纤维及其制品的性能优良和实用。
这就要求我们能选好、选对纤维 ；会选择恰当的纺织染整及混复合加 工方式；能知晓改进和提高纤维及其制品性能的加工技术与优化工艺的方 法；了解从纤维到产品、再到使用和循环利用的技术。
这需要有扎实的专业基础知识，并能关注各相近专业和相关学科的基 本理论。真正掌握理性选择原料、合适加工得到产品、在线监控各工序及 步骤的效果、及时评价和预报纤维及其制品的性能与品质方法。
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1、关注工业体系及工程知识
纺织材料的生成和特征依赖于加工体系及方式(图6)，故应该关注纺织 工程、化纤工程、服装工程、纺织品设计，以及计算机技术、测量与仪器, 标准体系方面的知识、技术及进展。 特别是纤维工程（包括纤维初加工和 化学纤维工程）、纺织工程和仪器与标准的相关技术与理论及进展，为了 解和解释纺织材料的特征及变化，为发展纺织材料提供良好的参考。
2、关注材料科学的知识
纺织材料本身就是一个专门化的材料学科，前面已提及其本身的特点 及立身之本。但材料学具有极大的相通性。
金属和无机材料仅有几千年的文明史，但其在规整结构（晶体）和力 学、物理性质上有极为经典的理论与成果，并是材料学科中表征技术和材 料发展最为超前的学科。尤其是对于线弹性体和均质结构体的力学及物理 学，仍占统治地位，有助于纺织材料的引用、借鉴。
二、应关注的知识及思考 3
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3、关注表征技术与方法
麦哲伦(Magellan)靠了罗盘(实际的测量）发现了美洲大陆；爱因斯坦 (Einstein)用了计算尺（抽象的表达）创造了相对论。纺织材料的突破与发 展当然离不开当今的表征方法与手段。
近代应用数学、统计学、测量仪器学、计算机技术和信息技术的发展, 受惠于材料的进展，但更多地又反馈施惠于材料和材料科学。现有的技术 和理论已成为纺织材料分析、表征、 预测、模拟、精准计算的基础。因此, 应多关注材料的形（形态、尺度、结构和表面）、性（物理、化学、生物 性质与功能）、质（组成及含量）的测量、分析理论与方法；应该知晓和 运用统计学和现代应用数学、图形图象技术、计算机辅助算法与设计。上 述知识与方法是纺织材料结构及性能表征，以及从材料学角度改变纺织材 料结构、提高其性能的基础。
多浏览工程学、材料学和表征技术的知识，多以促进纺织材料学理解 为本地关注这些领域中的发展，将有助于对本书基本内容和理论的了解， 更会对其不足和局限有所认识，进而迸发出认知、探索、求真的欲望。
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有机和高分子材料只有一、二百年的历史，但其几乎成为纺织材料中纤 维的本，即高聚物的进步与发展，才有纤维材料的发展。尽管其历史相对纺 织材料十分短暂，却因有机化学、高分子物理和高分子化学的基础研究及发 展，比纺织材料的理论基础显得更为坚实，比纺织材料的发展更快、更有活 力。其在高分子材料的结构、性质及其相互关系；缠结、扩散、蠕变、松弛 理论；纤维成形原理及分子设计与合成控制；高聚物力、热、光、电、表面 性质方面的理论、实验结果、假说与问题，都是本学科应该了解、借鉴与效 仿的。
在结构和组成上相似的材料，当属复合材料学，尤其在非均相结构、各 向异性、粘弹或线弹性、整体与界面性质并重上，与纺织材料一致，亦为形 属性材料。虽然复合材料学只有近百年的研究与发展史，但在界面、力学和 传导性质上，理论坚实、结果众多、需多关注。
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纳米材料以尺度命名，从不同尺度看既可是均相、亦可为非均相，但其 为纳米尺度结构，以表面和实体间相互作用为主体特征，是形属性材料分类 建立的代表材料。虽出现至今仅50余年，但已成为材料学科最关注和研究的 热点，并已形成独立的学科。其表面、小尺寸、宏观量子隧道和量子尺寸四 大效应是其理论和实用的基础，也是纳米纤维材料发展的基础。
生物材料和生物学是纺织材料应该、但较少关注的学科。 生物结构体本 身就是纺织材料模仿的对象。 棉、毛、丝、麻四大类本身就来源于生物体， 带有极强的生物特征，已在人类至少上万年使用中， “指导”和造福人类，使 纺织材料成为人体器官或组织置换的首选材料。有关生物材料、高次结构材 料的生物性（生物相容性、可降解性、耐久性、可传导性等）和生物体、生 物酶对纤维体的作用等，都应该成为纺织材料学习和了解的对象。
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1. 试述纺织材料学的地位和属性及其他属性，以及各属性的构成。 2. 讨论你所认为的认知、表征、发展的内涵。
3. 给出结构三要素，举例说明其决定材料的性质，并举例其不能决定的 性质。
4. 你所认为的纺织材料学是何印象？如何寻求发展？
5. 依据图6的加工、结构与组成、性能的三角关系，讨论其间的相互关 系。
6. 作为纺织材料学的发展，你认为什么是基础？应用数学和计算机技术 的作用为何？
7. 生物技术对纺织材料的发展有何作用？
8. 给出纳米、亚微米和微米的尺度，并讨论纤维材料纳米化的意义。
9. 从纤维、或纱线、或织物的发展和结构特征，讨论你所想知、想学的
思 考 题
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内容。
10. 你认为纺织材料发展中最应该关注的问题为何？依你的想法如何解 决？
11. 玻璃纤维、陶瓷纤维、碳纤维从材料学上分属哪一大类？在纤维材料 中又属哪类？
12. 请根据纺织材料的定义，罗列其主要表征对象和具体内容，并指出最 常测量性能。
13. 纺织材料的起源的形式和作用为何？并给出对应的事实与解释。
14. 复合材料、高分子材料、智能材料、纤维材料、软金属材料、皮革、
木材为何属性？
15. 纺织材料英文表达为： Textile materials or Fibrous materials，给出你 赞同表达的理由。
16. 请给出纺织材料学发展缓慢的原因及理由。
17. 试根据用途和功能分裂，举全纺织材料这两分类的各类别名称。
18. 若“编” 、“结”物是纺织工具的起源，那绳源于什么或何者？梭织物、
针织物的父、母本分别为何者？给出理由。
思 考 题
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