碳纳米管/聚氨酯涂层导电纤维与织物的应变传感行为研究

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近年来,基于柔性应变传感器具有较高的灵敏度、较大的可拉伸工作应变范围而被广泛地应用于人工智能服装、柔性电子器件、人机互动接口及智能机器人等方面。因此,关于柔性应变传感器的研究受到世界范围内诸多专家和学者的青睐。由于高分子材料具有优良的拉伸性能和可加工性能,因此它是柔性应变传感器理想的基体材料。本文选用具有高弹性的莱卡纤维和弹力织物作为基体,采用溶液涂覆法将导电的纳米复合材料涂覆到莱卡纤维和弹力织物的表面来制备柔性应变传感器。本文对比了涂覆不同层数的纤维传感器的传感行为来分析涂覆层数对纤维传感器传感行为的影响。同时,采用非共价键改性的办法提高导电填料与聚合物基体之间的界面作用力,通过对比改性前后纳米导电复合材料的导电性能及纤维传感器的传感行为来说明界面作用力对传感器传感行为的影响。其次,还对柔性织物传感器的传感性能进行了研究。本论文主要的研究工作和结论如下:(1)MWCNTs/TPU纳米复合纤维传感器传感行为研究以莱卡纤维为基体,采用layer-by-layer(LBL)涂覆法将MWCNTs/TPU纳米导电复合材料涂覆到莱卡纤维的表面。通过对比涂覆不同层数的纤维传感器的传感行为得知,随着涂覆层数的增加,纤维传感器的工作应变范围增加(涂覆一层纳米复合材料的纤维传感器工作应变范围为0~80%;涂覆五层纳米复合材料的纤维传感器工作应变范围为0~240%)。灵敏度随着涂覆层数的增加而降低,涂覆一次的纤维传感器的初始灵敏度为26.43,涂覆五次后的纤维传感器初始灵敏度为8.12。该种纤维传感器可以在不同应变、不同频率及多次循环加载下稳定的、可重复的响应。此外,通过建模研究了纤维传感器的传感机理。并发现该种纤维传感器还具有监测人体运动、面部表情及语言识别的潜能。(2)MWCNTs/PCA/TPU纳米复合纤维传感器传感行为研究采用溶液涂覆法将MWCNTs/PCA/TPU纳米导电复合材料涂覆到莱卡纤维的表面。通过对比经PCA非共价键改性前后的纤维传感器的传感行为来研究界面性能对纤维传感器传感行为的影响。实验发现通过PCA改性后的纳米导电复合材料的电导率提高了且改性后的纤维传感器的工作应变范围增加,经非共价键修饰的纤维传感器工作应变范围可达200%,未经修饰的只有75%。但经过非共价键修饰的纤维传感器的初始灵敏度降低,2%MWCNTs/PCA/TPU 试样的 GF 值为 5.1,3%MWCNTs/PCA/TPU 试样的 GF值为3.6。另外,改性后的纤维传感器在循环加载过程中具有更好的回复性和稳定性。并且该种纤维传感器同时也具有监测人体运动、面部表情及识别语言的潜能。(3)纳米复合导电织物传感器传感行为研究用弹力织物作为基体,采用溶液涂覆法将MWCNTs/PCA/TPU纳米导电复合材料涂覆到弹力织物的表面。通过研究织物传感器在单向拉伸、不同应变、不同频率下的传感行为得知,该种织物传感器具有较高的灵敏度,在应变为1%时的GF值为15.8,且填料含量为5%的织物传感器工作应变范围高达300%。通过分析织物结构与织物传感行为来解释其传感机理,并探究了其在监测人体运动方面的潜能。
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