纱线应力传感器的制备与性能研究

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现如今柔性应变传感器越来越受到人们的关注。纱线作为一种柔性材料,因其具有质地轻薄、常见易得、韧性良好、机械性能稳定、易吸附、易改性等优良的性能,已经成为了柔性应变传感器的重要组成部分之一。使用纱线制备的柔性应变传感器具有良好的柔韧性、耐磨性、耐水洗等特性,适用于各种不同环境的测试使用,在可穿戴式应变传感设备中备受关注。本论文便是以纱线作为基材,通过在纱线表面使用涂覆液涂覆,沉积导电聚合物等方式制备具有高稳定性以及高灵敏性的柔性应力传感器。主要研究内容如下:(1)采用氨纶包芯纱作为基材,通过将制备的碳纳米管/聚吡咯管涂覆液涂覆至氨纶包芯纱基材上,进而制备氨纶包芯纱/碳纳米管/聚吡咯管纱线应变传感器。对所制备的材料进行性能分析,得出:在涂覆液涂覆20次,每次涂覆后在真空干燥箱中干燥30min时,得到的氨纶包芯纱/碳纳米管/聚吡咯管纱线应变传感器在5%形变下电阻变化率达到325%,制备的氨纶包芯纱/碳纳米管/聚吡咯管纱线应变传感器随着拉伸形变的上升,电阻变化率也随之上升。在测试耐水洗性能的时候,氨纶包芯纱/碳纳米管/聚吡咯管纱线应变传感样品开始电导率迅速下降,然后渐渐趋于平稳,最终稳定在40%。氨纶包芯纱/碳纳米管/聚吡咯管纱线应变传感可以在不同速率下以及长时间拉伸下保持稳定。在测试人体一些较大运动如手指弯曲、膝盖弯曲、手腕弯曲等运动时,电阻变化率可以达到400%,而在测试如脸部鼓起、呼吸、说话等一些微小人体运动时,电阻变化率可以达到140%。在各种湿度下,氨纶包芯纱/碳纳米管/聚吡咯管纱线应变传感器也可以稳定工作。(2)采用不锈钢丝包芯纱以及镍丝作为基材,通过电化学聚合的方式在不锈钢丝包芯纱表面沉积聚吡咯作为半导体部分,通过真空镀膜的的方式在镍丝表面镀铝作为金属部分,两部分缠绕制备聚吡咯/铝肖特基接触柔性纱线传感器。聚吡咯/铝肖特基接触柔性纱线传感器在磨损试验100次后,输出电流信号稳定在0.36μA。在次水洗实验后,输出电流保持稳定在0.42μA。通过聚吡咯/铝肖特基接触柔性纱线传感器在人体各个部位的应用,如手指弯曲、手腕弯曲、膝盖弯曲等运动,聚吡咯/铝肖特基接触柔性纱线传感器都能保持稳定的电信号输出。但由于聚吡咯/铝肖特基接触柔性纱线传感器具有的拉伸应变能力是有限的,使之灵敏度以及信号响应受到影响,无法测量一些人体微小的运动。
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