基于弹簧鞘复合线的柔性传感器及其受力电学行为表征
发布时间：2021-12-23 03:02
随着纺织科学与技术的发展,纺织物的双重功能特征日渐明显,即传统穿着物基体和具有传感表征功能特征的织物发展迅猛,并逐渐取代植入式传感器成为真正意义一物同质、同形的双功能织物。集传感材料、信息科学、数据处理与存储及人体工学为一体的智能感受织物“人工皮肤”已经成为高技术纺织领域的研究热点方向。基于目前市场传感器通常为刚性器件,如何将电子器件柔性化、可穿戴化、绿色化是亟需解决的问题。因此,本课题采用表面金属镀层长丝为本征敏感材料,辅以弹簧鞘复合线特殊结构优势,构建了以电阻、电感为检测信号的功能性力学传感器,对其传感机制、结构与性能的相关性进行了理论建模与实验验证,并成功应用于人体关节弯曲等运动信号和人体呼吸等健康信号的监测,以及人体动作和形体的三维重构,实现了力学柔弹性和皮肤共形性产品的设计,具有重要的学术价值和社会效益。首先,本文采用自制包缠纺纱系统制备了以镀银锦纶长丝为鞘、氨纶长丝为芯的复合线,对不同捻度弹簧鞘复合线的表面形貌和力-电学行为进行了表征和分析,并建立了与实验结果一致性较好的复合线静动态拉伸力学模型,在此基础上对复合线的导电机制进行了探讨。通过原位观察不同捻度弹簧鞘复合线静动态...
【文章来源】：东华大学上海市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：132 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
电子织物传感器的应用场景Figure1-1Applicationofelectronictextilesensor
兰?0年代，最早的不锈钢纤维Brunsmet是由美国Brunswick公司通过拉丝法研制并生产的[22]，即不锈钢丝反复通过拉伸模具进行牵伸细化而产生。金属导电纤维的制备方法包括熔融纺丝法、拉丝法和切削法，包括不锈钢纤维、铜纤维、铅纤维等。不锈钢纤维是最为常见的金属纤维，其次还有铜、铅、铝、镍等金属纤维。金属纤维具有优异的导电性、耐腐蚀性和导热性，但纤维之间饱和力小，可纺性差，一般与其他纤维混纺或复合成纱[23]。金属导电纤维于20世纪70年代末开始被广泛应用于纺织、军事、化工、电力和通讯等领域[24]。图1-3无掺杂-共轭结构导电聚合物的化学结构[25]Figure1-3Structureofconductivepolymerswithundopedindole-conjugatestructure导电聚合物的研究始于1977年，美国宾夕法尼亚大学Shirakawa等首次在掺杂聚乙炔中发现了导电性能[26,27]，其电导率最高可以达到107Sm-1数量级，这种导电率高于汞（~1.04106Sm-1），与铜（~5.65107Sm-1）的导电率相当，引起了科学家们广泛的关注。他们随后的一系列研究进展使其获得了2000诺贝尔化学奖。自导电聚乙炔发现后，人们发现了许多其他具有共同的π共轭结构的导电聚合物及其衍生物，包括聚吡咯（PPy）[28]、聚苯胺（PAni）[29]和聚噻吩（PTh）类，图1-3展示了不同单体化学结构的导电聚合物[25]。由于导电聚合物单体大多有毒，且由于主链中的共轭结构使其很难熔融或溶解，因此纺丝加工过程比较困难，目前仍较难应用于纺织品[23]。其中，发展最为成熟的为聚苯胺导电纤维，
合，通过化学还原得到石墨烯/金属纤维，银掺杂石墨烯纤维电导率可达9.3×104Sm-1，电流容量高达7.1×103A/cm2[44]。1.2.2导电纱线导电纱线可由导电纤维加捻、复合纺纱而成[45]，也可由纱线直接碳化处理、浸渍涂层导电材料等方法获得。纱线碳化与纤维碳化方法类似，纱线在高温下将脱水碳化形成含碳导电纱线，该方法可以保证纱线基本的螺旋结构，但强力降低[46]。表面涂层法是指在纱线表面涂覆金属、碳材料等导电材料赋予纱线导电性。东华大学TMT课题组王勇[47]采用环锭纺纱技术制备了三轴系非等汇聚点高弹导电复合纱（图1-5），将金属纤维固定在复合线中，该复合纱在拉伸时电阻恒定，弹性回复性好。图1-5高弹导电纱结构示意图[47]Figure1-5Schematicdiagramofhighelasticconductiveyarnstructure1.2.3导电织物导电织物可以由导电纤维和纱线编织得到，也可通过直接在原坯布上表面涂层导电材料、或者将织物进行碳化处理得到，第一种方法由于导电纤维及纱线的导电物质容易在织造过程中磨损，且导电纤维的强度和可织造性较差，其实用性受到限制。1991年，美国美利肯研究公司R.V.Gregory等通过在涤纶织物表面原位聚合聚吡咯（PPy）制备了最低方阻为80Ω/sq的导电织物[48]。2003年，韩国中央大学Kyung也采用同样的方法在尼龙氨纶混纺织物表面涂覆聚吡咯（PPy），制备的导电织物电导率为980Sm-1[49]。该种方法还可用于构筑其他导电聚合物的导电织物，如PPy、PTh、聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT：PSS）。通常的做法是将织物浸泡在含有单体，氧化剂和掺杂剂的溶液中进行聚合[50]。1997年，张碧田等以尼龙织物为基底，经表面粗化和活化处理后进行了电镀镍处理，得到了表层为镍层的导电尼龙织物，并研究了镀镍工艺对织物导电性能和力学性能的影
【参考文献】：
期刊论文
[1]轮辐式力传感器的设计与分析[J]. 张弘昌,张方,蒋祺,陈卫中. 国外电子测量技术. 2019(10)
[2]智能服装的应用现状及发展前景[J]. 黎淑婷,张海煊,滕万红. 纺织科技进展. 2019(04)
[3]基于经编间隔织物的压力电容传感器特性[J]. 孙婉,缪旭红,王晓雷,蒋高明. 纺织学报. 2019(02)
[4]包覆度对包覆纱应变传感器基本传感性能的影响[J]. 周淑雯,权颖楠,辛敏杰,李佳琳,胡吉永,杨旭东. 上海纺织科技. 2018(12)
[5]智能服装的发展综述与未来展望[J]. 梅婷婷,汤兴,陈凯丽,黄淋铃,左保齐. 现代丝绸科学与技术. 2017(05)
[6]柔性可穿戴传感器发展现状[J]. 娄正,沈国震. 新材料产业. 2017(10)
[7]智能服装的研究现状[J]. 彭军,李津,李伟,陈婷婷,刘皓. 西部皮革. 2017(16)
[8]人体生理信号中呼吸信号的研究发展综述[J]. 李斯农. 中国国际财经(中英文). 2017(11)
[9]用于智能服装的织物传感器研究进展[J]. 吴敏. 专利代理. 2017(01)
[10]导电纤维的发展与应用[J]. 郑少明,赖祥辉,林本术. 中国纤检. 2016(09)
博士论文
[1]三轴系非等汇聚点高弹导电复合纱的成形与表征及应用[D]. 王勇.东华大学 2019
[2]无源无线温湿度传感器研究[D]. 任青颖.东南大学 2017
[3]导电针织柔性传感器的电—力学性能及内衣压力测试研究[D]. 王金凤.东华大学 2013
[4]本征导电纤维集合体的电—力学性能及其作为应变、压力传感器的性能分析[D]. 张辉.东华大学 2006
硕士论文
[1]基于结构表征的氨纶粘弹性研究及其使用安全性分析[D]. 周序霖.华南理工大学 2018
[2]拉伸对聚氨酯纤维结构与疲劳性能的影响及寿命预测[D]. 陈晋凯.华南理工大学 2017
[3]碳/芳纶混杂正交三向复合材料拉伸疲劳性能实验研究[D]. 李涛涛.天津工业大学 2016
[4]基于LC谐振的无线无源应变传感器研究[D]. 豆刚.电子科技大学 2012
本文编号：3547646
【文章来源】：东华大学上海市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：132 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
电子织物传感器的应用场景Figure1-1Applicationofelectronictextilesensor
兰?0年代，最早的不锈钢纤维Brunsmet是由美国Brunswick公司通过拉丝法研制并生产的[22]，即不锈钢丝反复通过拉伸模具进行牵伸细化而产生。金属导电纤维的制备方法包括熔融纺丝法、拉丝法和切削法，包括不锈钢纤维、铜纤维、铅纤维等。不锈钢纤维是最为常见的金属纤维，其次还有铜、铅、铝、镍等金属纤维。金属纤维具有优异的导电性、耐腐蚀性和导热性，但纤维之间饱和力小，可纺性差，一般与其他纤维混纺或复合成纱[23]。金属导电纤维于20世纪70年代末开始被广泛应用于纺织、军事、化工、电力和通讯等领域[24]。图1-3无掺杂-共轭结构导电聚合物的化学结构[25]Figure1-3Structureofconductivepolymerswithundopedindole-conjugatestructure导电聚合物的研究始于1977年，美国宾夕法尼亚大学Shirakawa等首次在掺杂聚乙炔中发现了导电性能[26,27]，其电导率最高可以达到107Sm-1数量级，这种导电率高于汞（~1.04106Sm-1），与铜（~5.65107Sm-1）的导电率相当，引起了科学家们广泛的关注。他们随后的一系列研究进展使其获得了2000诺贝尔化学奖。自导电聚乙炔发现后，人们发现了许多其他具有共同的π共轭结构的导电聚合物及其衍生物，包括聚吡咯（PPy）[28]、聚苯胺（PAni）[29]和聚噻吩（PTh）类，图1-3展示了不同单体化学结构的导电聚合物[25]。由于导电聚合物单体大多有毒，且由于主链中的共轭结构使其很难熔融或溶解，因此纺丝加工过程比较困难，目前仍较难应用于纺织品[23]。其中，发展最为成熟的为聚苯胺导电纤维，
合，通过化学还原得到石墨烯/金属纤维，银掺杂石墨烯纤维电导率可达9.3×104Sm-1，电流容量高达7.1×103A/cm2[44]。1.2.2导电纱线导电纱线可由导电纤维加捻、复合纺纱而成[45]，也可由纱线直接碳化处理、浸渍涂层导电材料等方法获得。纱线碳化与纤维碳化方法类似，纱线在高温下将脱水碳化形成含碳导电纱线，该方法可以保证纱线基本的螺旋结构，但强力降低[46]。表面涂层法是指在纱线表面涂覆金属、碳材料等导电材料赋予纱线导电性。东华大学TMT课题组王勇[47]采用环锭纺纱技术制备了三轴系非等汇聚点高弹导电复合纱（图1-5），将金属纤维固定在复合线中，该复合纱在拉伸时电阻恒定，弹性回复性好。图1-5高弹导电纱结构示意图[47]Figure1-5Schematicdiagramofhighelasticconductiveyarnstructure1.2.3导电织物导电织物可以由导电纤维和纱线编织得到，也可通过直接在原坯布上表面涂层导电材料、或者将织物进行碳化处理得到，第一种方法由于导电纤维及纱线的导电物质容易在织造过程中磨损，且导电纤维的强度和可织造性较差，其实用性受到限制。1991年，美国美利肯研究公司R.V.Gregory等通过在涤纶织物表面原位聚合聚吡咯（PPy）制备了最低方阻为80Ω/sq的导电织物[48]。2003年，韩国中央大学Kyung也采用同样的方法在尼龙氨纶混纺织物表面涂覆聚吡咯（PPy），制备的导电织物电导率为980Sm-1[49]。该种方法还可用于构筑其他导电聚合物的导电织物，如PPy、PTh、聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT：PSS）。通常的做法是将织物浸泡在含有单体，氧化剂和掺杂剂的溶液中进行聚合[50]。1997年，张碧田等以尼龙织物为基底，经表面粗化和活化处理后进行了电镀镍处理，得到了表层为镍层的导电尼龙织物，并研究了镀镍工艺对织物导电性能和力学性能的影
【参考文献】：
期刊论文
[1]轮辐式力传感器的设计与分析[J]. 张弘昌,张方,蒋祺,陈卫中. 国外电子测量技术. 2019(10)
[2]智能服装的应用现状及发展前景[J]. 黎淑婷,张海煊,滕万红. 纺织科技进展. 2019(04)
[3]基于经编间隔织物的压力电容传感器特性[J]. 孙婉,缪旭红,王晓雷,蒋高明. 纺织学报. 2019(02)
[4]包覆度对包覆纱应变传感器基本传感性能的影响[J]. 周淑雯,权颖楠,辛敏杰,李佳琳,胡吉永,杨旭东. 上海纺织科技. 2018(12)
[5]智能服装的发展综述与未来展望[J]. 梅婷婷,汤兴,陈凯丽,黄淋铃,左保齐. 现代丝绸科学与技术. 2017(05)
[6]柔性可穿戴传感器发展现状[J]. 娄正,沈国震. 新材料产业. 2017(10)
[7]智能服装的研究现状[J]. 彭军,李津,李伟,陈婷婷,刘皓. 西部皮革. 2017(16)
[8]人体生理信号中呼吸信号的研究发展综述[J]. 李斯农. 中国国际财经(中英文). 2017(11)
[9]用于智能服装的织物传感器研究进展[J]. 吴敏. 专利代理. 2017(01)
[10]导电纤维的发展与应用[J]. 郑少明,赖祥辉,林本术. 中国纤检. 2016(09)
博士论文
[1]三轴系非等汇聚点高弹导电复合纱的成形与表征及应用[D]. 王勇.东华大学 2019
[2]无源无线温湿度传感器研究[D]. 任青颖.东南大学 2017
[3]导电针织柔性传感器的电—力学性能及内衣压力测试研究[D]. 王金凤.东华大学 2013
[4]本征导电纤维集合体的电—力学性能及其作为应变、压力传感器的性能分析[D]. 张辉.东华大学 2006
硕士论文
[1]基于结构表征的氨纶粘弹性研究及其使用安全性分析[D]. 周序霖.华南理工大学 2018
[2]拉伸对聚氨酯纤维结构与疲劳性能的影响及寿命预测[D]. 陈晋凯.华南理工大学 2017
[3]碳/芳纶混杂正交三向复合材料拉伸疲劳性能实验研究[D]. 李涛涛.天津工业大学 2016
[4]基于LC谐振的无线无源应变传感器研究[D]. 豆刚.电子科技大学 2012
本文编号：3547646
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