弹性纤维及织物在柔性传感器方面的研究

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近年来,随着健康管理监测、人体运动辅助、通讯技术及人工智能等新兴应用的出现和普及,高弹性可穿戴传感技术得到了更快的推广与发展。高弹性可拉伸应变传感器克服了传统应变传感器在反复和高度拉伸时易失效的缺点,因其可穿戴性、即时检测、非侵入式、大范围延展等技术优势而快速发展。人机交互、运动健康检测等细分模块对传感器技术提出了更高的要求,迫切需要具备高度柔性、可扭转、可伸展、可回复等特性的高弹性传感器,以适应人体对穿着舒适度的要求。本课题以CM800弹性纤维及其不同孔隙度织物为基体,石墨烯为功能助剂,采用浸渍法、丝网印刷法制备了石墨烯改性材料并制成柔性纺织基传感器,研究了其结构和性能,探讨了其在传感器方面的应用。主要研究内容如下:(1)采用浸渍法制备石墨烯改性CM800纤维并探讨了其在传感器方面的应用。通过扫描电镜对石墨烯改性CM800纤维的表面形态进行了表征,测试了其导电性和传感特性。结果表明:制成的柔性衬底具有良好的导电性。当纵列方向应变小于18.5%时,传感系数Gauge Factor(GF)为1.96且电阻变化率与应变呈线性关系,可用于血压、呼吸等的微小形变检测。在施加0.2%应变的回复性测试中,线圈结构平衡破坏,向新平衡转换。采用手工编织法将改性CM800纤维编织成手链、项链以及戒指的形式佩戴,测试了人体在不同运动下的传感性能。(2)通过浸渍法制备石墨烯改性CM800单层包覆纱和双层包覆纱,并制成柔性传感器,利用数字式四探针测试仪、参数分析仪、步进电机控制器测试了其性能。结果表明:改性包覆纱具有较强导电性和耐洗性。经水洗后的电导率由5.98降至5.43 S/m,制成的单层包覆纱传感器在0-17%、17%-19.5%和19.5%-25%的纵列应变下,GF分别为29.2、28.64和10.48。较之双层包覆纱传感器,CM800/氨纶单层包覆纱传感器具有更优异的弹性和灵敏性,兼具高伸长和高回复特性,在可穿戴纺织品领域具有应用潜力。(3)使用丝网印刷法制备石墨烯改性CM800针织物,探讨了其在传感器方面的应用。重点分析了基于定伸长拉伸实验的电阻变化率-应变关系等传感特性,并与传统的氨纶针织物应变传感器进行了比较。结果表明:新型弹性针织物应变传感器随应变的增加呈线性且电阻变化率高,灵敏度高,线性工作范围宽。在0%-40%和80%-100%的应变范围内,GF分别为33.6和54.8。此外该传感器还具有优异的循环稳定性和良好的滞后性。将上述制备好的纺织基应变传感器连接于人体的不同部位,可用于人体生理信息的采集如手指、手臂和脚的大幅度曲线移动,还有较小幅度范围的喘息、吞咽、说话时肌肉震颤、心跳、睡眠姿势和眼压等。该传感器在病人、儿童以及老年人日常生理活动中的监测具有广阔的应用前景。
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