柔性中空—多孔结构多级导电复合纤维的构筑及应变敏感性能研究

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导电高分子复合材料(CPC)是指将导电填料与单相或多相高分子基体复合制备而成的具有导电功能的一类复合材料,该材料在外场刺激下展现出独特的物理响应行为,可作为柔性可穿戴传感器使用,在柔性电子、机器人和人机交互等领域受到研究者高度关注。本论文中,我们以碳纳米管(CNT)为导电填料,热塑性聚氨酯(TPU)为柔性基体,采用同轴湿纺工艺成功制备出集成皮芯、中空和多孔结构的湿纺柔性导电复合纤维。对纤维的结构和应变敏感性能进行了深入研究,得到以下主要成果:(1)形态表征显示,设计并制备的导电复合纤维由两部分组成,即TPU多孔骨架和CNT导电网络构成的导电外层(敏感区);TPU多孔骨架单独构成的绝缘内层(弹性区)。通过改变实验参数,实现了对纤维结构和尺寸地有效调控。随着外层CNT含量地增加,纤维的初始分解温度和弹性模量显著升高,但拉伸强度和断裂伸长率都呈先升高后降低的趋势。纤维具有低的质量逾渗值(0.17%)、良好的欧姆特性和优异的耐用性。(2)拉伸敏感性能测试发现,纤维的响应度(R/R0)随应变呈指数增长,低CNT含量的纤维拥有更高的灵敏度。TPU-8CNT@TPU(外层CNT质量分数为8%的导电复合纤维)成功实现了质轻(0.46 g/cm3)、宽应变侦测范围(>350%)和高灵敏度的完美结合(350%应变时的应变灵敏系数GF=166.7)。TPU-8CNT@TPU的多循环拉伸响应行为存在肩峰、残余电阻以及响应峰初始阶段下降等现象,并且在不同的拉伸应变下展现出一致的响应行为和良好的欧姆特性。随着拉伸速率的增大,TPU-8CNT@TPU的响应峰向上微小滑移。TPU-8CNT@TPU的拉伸响应时间为167 ms,且在10000次循环拉伸中展现出卓越的长期稳定性和可重复性。(3)对TPU-8CNT@TPU施加100%的预应变后进行弯曲敏感性能测试。研究发现,随着弦长地减小,弯曲传感器的R/R0逐渐增大;当弦长为13.28 mm时(弧长为60 mm),R/R0达到最大值;进一步减小弦长,R/R0下降;其弯曲响应灵敏度为0.16 rad-1(弦长为40 mm);导电复合纤维的多循环弯曲响应行为中也存在肩峰和响应峰初始下降等现象。(4)压缩敏感性能测试发现,TPU-8CNT@TPU的R/R0变化分两个阶段:阶段1(压力F≤0.025 N),R/R0随F的增大而减小;阶段2(F>0.025 N),R/R0随F增大急剧增大。阶段2中,TPU-8CNT@TPU的R/R0和F之间展现出完美的线形依赖关系;压缩响应灵敏度为SP=0.34%N-1;压缩响应时间为115 ms。TPU-8CNT@TPU多循环压缩响应行为再次出现了肩峰、响应峰初始阶段下降和残余电阻等现象。一系列基于TPU-8CNT@TPU的人体表征,展示了该导电复合纤维在人体健康和运动监测领域广泛的应用前景。(5)基于隧道理论对纤维的响应行为进行分析,纤维在拉伸、弯曲和压缩外场中的内在响应机理是一致的。这让我们对纤维的应变敏感性能有了更深入地认识。
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