幾種典型床墊材料的力學(xué)性能及其在床墊結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用

王悅 申黎明 房嬌嬌

摘 要：床墊舒適性的高低取決于床墊材料的選取及床墊材料的組合構(gòu)成，材料力學(xué)性能對床墊的質(zhì)量及舒適性有至關(guān)重要的影響。本文選擇6種典型的床墊材料，利用萬能力學(xué)試驗機(jī)和材料反復(fù)壓縮試驗機(jī)，對不同種類和密度的床墊材料進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)環(huán)境下的力學(xué)壓縮，進(jìn)行卸載和疲勞測試實驗，通過結(jié)果分析得出各種材料的彈性模量、抗壓強(qiáng)度、疲勞性、滯后性等材料力學(xué)性能方面的參數(shù)。研究表明，不同材料的參數(shù)值差異大，相同種類不同密度的材料之間有一定的變化規(guī)律。在探索出材料本身的力學(xué)性能之后，本文將這些參數(shù)應(yīng)用到床墊結(jié)構(gòu)設(shè)計中，設(shè)計出幾款力學(xué)性能佳的床墊結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：床墊材料;力學(xué)性能;床墊結(jié)構(gòu)設(shè)計

家具是和人的生活息息相關(guān)的物件，在眾多家具中，床是與人接觸時間最長的家具。床的好壞直接影響我們睡眠質(zhì)量的高低。床作為人睡眠的載體，毋庸置疑成為了至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。

目前市場上的床墊主要有彈簧床墊、棕櫚床墊、乳膠床墊、記憶棉床墊、水床墊、充氣床墊等，其中彈簧床墊所占市場份額最大。[1]床墊的基礎(chǔ)，首先是材料的選擇。國內(nèi)外對床墊材料的研究主要集中在兩方面，一是將生態(tài)材料以多種形態(tài)應(yīng)用于床墊以提高其舒適性的研究，二是材料組成的床墊結(jié)構(gòu)對床墊舒適性的影響研究。[2]

生態(tài)材料有環(huán)保、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢，主要集中在對棕櫚、乳膠、竹材等材料的使用。2018年劉鑫研究了棕櫚纖維與床墊力學(xué)性能之間的關(guān)系。[3]藺秀媛在2019年研究了多功能臥具的制作首選木、竹材料。[4]除了生態(tài)材料，在床墊材料中，海綿、彈簧、記憶棉、波形棉等材料也擁有極高的使用頻率。海綿床墊和彈簧床墊是市面上最常見的床墊類型。隨著人們對睡眠的重視，床墊材料也在不斷開發(fā)出新，空氣纖維作為近期新出現(xiàn)的床墊材料，以其環(huán)保、力學(xué)性能優(yōu)異逐步走進(jìn)人們的視線;趙歡在2019年研究了空氣纖維材料運用在床墊中對人體熱舒適性的影響。[5]

材料組成的床墊結(jié)構(gòu)對床墊舒適性的影響是在材料的基礎(chǔ)上，對床墊進(jìn)行進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)設(shè)計，所選取的材料如何搭配才能構(gòu)成最舒適的床墊。通?？梢詫⑷梭w體壓分布、脊柱形態(tài)、熱舒適性及主觀感受作為判斷床墊舒適性的標(biāo)準(zhǔn)。徐偉在2018年指出了不同海綿的組合方式對人舒適度的影響。[6]李慧和于娜在2019年研究了墊性特征在嬰幼兒床墊中的影響。[7]

床墊力學(xué)性能達(dá)標(biāo)與否是影響家具使用壽命和安全性的重要因素。[8]為了更好地研究床墊材料的力學(xué)性能，本項研究選擇6種典型的床墊材料：海綿、彈簧、記憶棉、乳膠、波形棉及空氣纖維。通過材料壓縮卸載實驗，得到不同床墊材料的壓縮卸載數(shù)據(jù)，并分別繪出應(yīng)力應(yīng)變曲線，對比分析空氣纖維與其他材料之間壓縮與回彈性能的差異。在實驗室材料允許的情況下，選擇個別材料的不同密度進(jìn)行實驗，通過對不同密度的空氣纖維材料的壓縮實驗，得出其力學(xué)性能隨密度變化的規(guī)律，為最后床墊結(jié)構(gòu)設(shè)計、優(yōu)化和改善提供了實驗依據(jù)。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

（1）材料種類：空氣纖維、彈簧、普通海綿、乳膠棉、波形棉、記憶棉、凝膠記憶棉。

（2）材料規(guī)格與數(shù)量：將不同材料的原材料（除彈簧）切割成長8cm、寬8cm、高6cm的長方體，不同材料不同密度分別準(zhǔn)備5個樣品。其中空氣纖維材料有3種不同的密度，海綿有4種密度，其他材料密度各1種。彈簧材料規(guī)格有3種，高為178cm、內(nèi)徑為6cm、6圈，而線徑分別為2.2mm、2.0mm、1.8mm。材料如圖1所示：

1.2 實驗方法與設(shè)備

1.2.1 準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實驗

將所有的材料在萬能力學(xué)實驗機(jī)上進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)的壓縮和卸載實驗。單向壓縮可以得出材料的壓縮系數(shù)、壓痕硬度、抗壓強(qiáng)度、彈性模量等參數(shù);壓縮及卸載雙向?qū)嶒灴梢缘玫讲牧系拈]合曲線，得出材料的滯后性能。

1.2.2 動態(tài)壓縮疲勞實驗

靜態(tài)壓縮實驗結(jié)束之后，將所有床墊材料進(jìn)行不可逆轉(zhuǎn)的動態(tài)疲勞實驗， 通過疲勞測試機(jī)（如圖2所示），采用恒定負(fù)荷的方式對材料進(jìn)行反復(fù)25000次壓縮，實驗頻率為60次/min。材料的力學(xué)性能隨壓縮次數(shù)的增多而變化，然后對比材料實驗前后的力學(xué)性能，從而了解不同床墊材料的動態(tài)疲勞性能。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實驗下材料應(yīng)力應(yīng)變圖趨勢分析

將實驗結(jié)果載荷位移圖計算轉(zhuǎn)化為應(yīng)力應(yīng)變圖，計算出抗壓強(qiáng)度和楊氏模量。

如圖所示，圖3為4種密度海綿的應(yīng)力應(yīng)變圖，圖4為3種密度空氣纖維的應(yīng)力應(yīng)變?？梢钥闯觯哂泄餐内厔?，同時又有不同的變化。

相同的是整段曲線都有3段趨勢，第一階段為彈性階段，材料受到壓縮載荷，材料的力學(xué)性能表現(xiàn)出典型的線性彈性;第二階段中材料進(jìn)入屈服階段，材料的應(yīng)變速率加快，大于應(yīng)力速率;第三階段是材料被壓縮后的強(qiáng)化階段，即使應(yīng)變增加很小的量，應(yīng)力也急劇增加。

二者不同的是，海綿材料的三段趨勢表現(xiàn)很明顯，而空氣纖維材料整體趨勢更為圓滑，沒有明顯的轉(zhuǎn)折點。

圖5是乳膠、記憶棉和波形棉的應(yīng)力應(yīng)變曲線，其中記憶棉的應(yīng)力應(yīng)變曲線與普通海綿相似，三段趨勢明顯，但是壓痕硬度、抗壓強(qiáng)度及彈性模量都比海綿低;乳膠的應(yīng)力應(yīng)變曲線幾乎沒有三段之分，沒有明顯的抗壓強(qiáng)度的點，曲線趨于平緩，抗壓性好。由此可見，空氣纖維材料與乳膠在應(yīng)力應(yīng)變趨勢上非常相似，波形棉自身由于分為兩大塊，上部分為波形，下部分為普通海綿，所以應(yīng)力應(yīng)變趨勢很獨特，有兩個波形趨勢。

圖6是彈簧應(yīng)力應(yīng)變圖，由圖可知，前面很小的部分是彈簧外部的布袋所致，可忽略不計，后面的趨勢是一條直線，與其他材料的曲線不同，彈簧全程符合胡克定律;彈簧的線徑越大，彈簧的壓痕硬度、彈性模量越大。

2.2 定量化表征材料的力學(xué)性能

材料性能定量化表征是用具體數(shù)值或一個區(qū)域的數(shù)值代表材料不同性能的指標(biāo)，數(shù)值的不同代表床墊材料性能的不同，優(yōu)越于采用模糊詞語的定性化表征。[9]

IOS2439-2008 Standard國際標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了柔性多孔材料壓痕硬度A、壓縮變形系數(shù)B和滯后損失率C的測試方法。

壓痕硬度A：將材料小樣用力學(xué)實驗機(jī)進(jìn)行壓縮，壓縮達(dá)到總厚度的40%，保持這個位置（30±1）s，記錄此時的力度，該數(shù)值為壓痕硬度。

壓縮變形系數(shù)B：將材料小樣用力學(xué)實驗機(jī)進(jìn)行壓縮，壓縮達(dá)到總厚度的70%，達(dá)到此厚度后，釋放載荷，壓縮變形系數(shù)S為壓縮量達(dá)到65%和25%時所對應(yīng)的力值之比。

滯后損失率C：將材料小樣用力學(xué)實驗機(jī)進(jìn)行壓縮，壓縮達(dá)到總厚度的75%，達(dá)到此厚度后，以相同的速率釋放載荷，并完成整個壓陷曲線。滯后損失率A是面積A1和A2之比，其中 A1 為加載曲線與卸載曲線之間的面積，A2 為加載曲線與 x 軸之間的面積。

由表1和前面的圖3可知，隨著海綿密度的增大，壓縮總高度的25%和40%（壓痕硬度）對應(yīng)的力值及抗壓強(qiáng)度都隨之增大，但彈性模量和壓縮系數(shù)與密度并沒有線性關(guān)系。

空氣纖維材料的壓痕硬度、壓縮變形系數(shù)、彈性模量及抗壓強(qiáng)度都與密度相關(guān)，隨著密度的增加，4個參數(shù)值逐步增大。這說明空氣纖維比海綿的力學(xué)性能更穩(wěn)定?？諝饫w維的彈性模量為0.1～0.6，隨著密度的增加，彈性模量增加，并具有一定的線性相關(guān)性。抗壓強(qiáng)度為材料應(yīng)力應(yīng)變圖中第一階段與第二階段的轉(zhuǎn)折點，也就是材料的屈服點。由表1和圖5可以看出，隨著密度的增加，轉(zhuǎn)折點所對應(yīng)的力值增大，因此抗壓強(qiáng)度隨密度的增加而增大。

乳膠、記憶和波形棉的壓痕硬度和彈性模量相對于其他材料都偏小，乳膠和波形棉的壓縮系數(shù)較大。

彈簧與其他材料的應(yīng)力應(yīng)變圖相差很大，由于彈簧壓縮全程符合胡克定律，所以整體為直線無曲折。彈簧的壓痕硬度、彈性模量隨密度的增大而增大。

所有材料中，壓痕硬度和彈性模量最大的都為線徑為2.2mm的彈簧，壓痕硬度和彈性模量最小的為波形棉。

疲勞率指材料在進(jìn)行疲勞實驗后對應(yīng)材料的原始高度的40%的力值與實驗前對應(yīng)材料高度的40%的力值之比，因此，材料的疲勞率越高，材料的抗疲勞性越好。由表2可知，隨著海綿密度增大，疲勞率變小，抗疲勞性降低;而空氣纖維材料恰恰相反，隨著密度增大，疲勞率上升，抗疲勞性越好。宏觀來看，空氣纖維的疲勞率大于海綿的疲勞率，因此，空氣纖維的抗壓次數(shù)能力更強(qiáng);乳膠和記憶棉的疲勞率幾乎接近100%，可見二者的抗壓次數(shù)能力最強(qiáng)、抗疲勞性最好。

滯后率為材料壓陷和卸載曲線之間的面積，因此滯后率越大，材料的吸能越大，人體在此材料上翻身轉(zhuǎn)動所需的能量越多。從表2可以看出，空氣纖維的滯后率小于普通海綿的滯后率，當(dāng)空氣纖維密度為57.92Kg/m3時，滯后率最大，而密度更大和更小的空氣纖維的滯后率較小。因此，處于中間密度的空氣纖維的滯后率大于其他密度的空氣纖維的滯后率。為了驗證這一觀點，實驗后期加大了密度范圍，計算空氣纖維的滯后率，結(jié)果與之前的實驗得到的結(jié)果相一致，中密度的空氣纖維材料滯后率最大。綜合表2可以得出，乳膠的滯后率是所有材料中最低的，因此翻身所需能量最小。

3 床墊材料力學(xué)性能在床墊設(shè)計中的應(yīng)用

本文通過實驗充分了解了床墊材料的力學(xué)性能，為床墊結(jié)構(gòu)設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。從前文可以看出，不同材料的力學(xué)性能之間的差距很大，在床墊設(shè)計中，應(yīng)根據(jù)不同的需求挑選材料。

3.1 床墊的構(gòu)成

如圖7所示，床墊結(jié)構(gòu)分為三部分，最下部分的支撐層、中間的鋪墊層及最上部分與人體接觸的最薄的面料層。由于面料層質(zhì)薄，所以暫不考慮其力學(xué)因素。中間層稱為鋪墊層，要求硬度適中，這一層直接影響臥姿，太軟和太硬均會給使用者的身體造成不良影響。[10]床墊的鋪墊層是與人體更近一步接觸的材料，因此其滯后性顯得格外重要，減少翻動身體所需的能量。除此之外，還需要考慮疲勞性。床墊支撐層是床墊下部分，是支撐整個床墊的基礎(chǔ)，市面上基本以彈簧為主，棕櫚、高密度空氣纖維等其他材料在符合條件下亦可作為支撐層，這一層需要選擇疲勞性好、彈性模量高及力學(xué)性能穩(wěn)定的材料。

3.2 材料的選擇及結(jié)構(gòu)設(shè)計

在了解了床墊構(gòu)成要求及材料力學(xué)性能后，我們可以根據(jù)床墊不同部分的材料要求，對應(yīng)力學(xué)實驗結(jié)果進(jìn)行選擇。

在選擇鋪墊層材料時，首要考慮滯后率，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行對比選擇硬度適中的材料。對照表一和表二，乳膠、低密度的空氣纖維及普通海綿都適合作為鋪墊層材料，可以單一材料作為鋪墊層，也可兩種材料疊加組成鋪墊層。

從應(yīng)力應(yīng)變圖可以看出，市面上最廣泛出現(xiàn)的彈簧床墊的支撐層彈簧的力學(xué)性能很穩(wěn)定，因此彈簧是支撐層的好材料，除了彈簧之外，高密度的空氣纖維材料的疲勞率、彈性模量及抗壓強(qiáng)度綜合水平高，亦可作為床墊的支撐層。

綜合以上因素，床墊結(jié)構(gòu)設(shè)計可以參考表3中的幾種設(shè)計方案。

表3中的4款床墊的結(jié)構(gòu)是根據(jù)材料力學(xué)性能及床墊各結(jié)構(gòu)的材料要求而設(shè)計的。乳膠材料滯后率和損失率最好，因此作為鋪墊層最上一層的材料;低密度空氣纖維和低密度海綿可以與乳膠疊加成為鋪墊層;支撐層除了彈簧以外，創(chuàng)新應(yīng)用了高密度的空氣纖維材料，其力學(xué)性能穩(wěn)定，各種參數(shù)較佳，可以作為支撐層的材料。

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作者簡介：王悅（1995—），女，安徽蕪湖人，南京林業(yè)大學(xué)2017級碩士，研究方向：家具設(shè)計。

申黎明（1960—），男，教授，研究方向：家具設(shè)計和人體工程學(xué)。

房嬌嬌（1994—），女，博士，研究方向：家具與人體工程學(xué)。