涂碳纤维导电针织物的传感性能研究

论文摘要

随着智能材料和微型计算机技术的发展,智能服装的研制在各个领域得到应用,如军事领域、医疗卫生、运动娱乐、电子电工等方面。智能服装融合了微电子、信息传播、传感、计算机等多种技术,它包含传感元件、驱动单元和控制单元三部分,传感元件部分收集到信号后,通过驱动单元和控制单元对信号做出处理及反馈实现一种或多种功能,从而使无生命的服装变得有了“感觉”和“知觉”。开发具有更多功能并可足够满足人们舒适性的智能服装已经成为国际纺织服装品市场的一个竞争点,同时也是纺织服装行业经济效益的新增长点。随着未来智能时尚生活理念的普及,智能服装或智能纺织品将会具有非常大的市场前景。本课题在国内外对智能服装和智能纺织品研究的基础上,制备了柔性传感器的雏形——导电传感针织物,从复合丝线的纺制结构入手,设计不同的捻度和不同涂碳纤维含量的复合丝线,通过重复拉伸实验以及阶段性拉伸实验,寻找复合丝线样本电阻变化与伸长率之间的关系,分析复合丝线结构对导电复合丝导电性能的影响,根据电阻变化与伸长率之间的相关性系数R2和增益因子GF等评价指标找出导电性能最好的和最差的复合丝线结构,再进一步用导电复合丝线织造不同结构的针织物。针织结构选择纬平和1+1罗纹两种,然后通过对导电针织物动态（重复拉伸）下的导电性能和传感性能进行探索,寻找织物电阻的变化与织物在拉伸下的形变之间的关系,通过各种柔性织物传感性能的评价方法,分析不同复合丝线结构和织造结构对导电织物传感性能的影响,课题中传感性能的评价包括灵敏度、线性度、重复性、应力松弛特性参数。考虑到课题研究的导电针织物最终是应用到智能服装中作为传感元件的,因此还从水洗的角度分析了水洗对导电针织物导电性产生的影响。最后从导电针织物的线圈结构在拉伸下的变化出发,分析导电织物在拉伸过程中内部的几何形变以及电阻的变化,剖析导电织物宏观电阻在应力下变化的主要原因。本课题在参阅大量文献的基础上,改进了导电复合丝线和导电针织物动态下的电阻测量装置,为了全面的评价和分析导电针织物的性能,提出了各种测试方式,如一次性拉伸、反复拉伸、不同速度下拉伸、瞬时拉伸以及耐水洗程度测试等方法。通过测试与分析研究,得出主要结论如下:1、导电复合丝线在拉伸力作用下的电阻变化趋势较明显的分成0-7mm（拉伸率0-11.67%）和7-15mm（拉伸率11.67%-25%）两个阶段;股数越多的导电复合丝线灵敏度越低,反之灵敏度越高,导电复合丝线通过适当加捻可以提高其线性度。若采用导电复合丝线编入普通织物中的方式制作传感器,则需要根据传感器适用的拉伸范围来选择导电复合丝线的纺制参数。2、导电针织物在拉伸力作用下的电阻变化与导电复合丝线相反,电阻总体呈减小的趋势,通过二次多项式拟合,相关系数高达0.992以上,且同复合丝线实验结果相似,未捻复合丝线的织物比加捻复合丝线的织物拟合程度高。3、四种导电针织物的电阻变化幅度从大到小依次是:并股复合丝线纬平织物>加捻复合丝线纬平织物>并股复合丝线1+1罗纹织物>加捻复合丝线1+1罗纹织物。电阻减小的稳定性从织物结构来看,1+1罗纹比纬平结构好,从复合丝线结构来看,加捻复合丝线比未捻复合丝线稳定性好。4、四种不同结构的导电针织物灵敏度从高到低依次为:并股纬平>加捻纬平>并股1+1罗纹>加捻1+1罗纹。从织物结构来看,纬平针织结构的灵敏度比1+1罗纹结构的灵敏度要好;从复合丝线构造来看,并股复合丝线针织物比加捻复合丝线针织物灵敏度高。5、1+1罗纹组织导电织物在不同速度拉伸下电阻变化差异小,重复性、应力松弛特性比纬平组织导电织物的要好,因此对于柔性传感针织物的设计在满足灵敏度的要求下,可以考虑罗纹结构,以便减少信号监测误差的产生。6、导电针织物经过多次水洗后整体电阻明显增加,且电阻变化越来越不稳定,1+1罗纹结构比纬平结构的稳定性差,引起这种变化的原因主要是水洗后导电针织物初始状态的平整度大大降低。7、导电织物电阻的变化主要是由于接触电阻在拉伸下的变化所引起的。因此在针织型柔性传感织物的研究中可重点研究相勾复合丝线在拉伸作用下电阻变化的稳定性、线性度、灵敏度以及重复性等。本课题的研究方向和思路对今后柔性传感织物的开发具有一定的指引作用,测试装置、测试方法、实验数据以及提出的最佳导电性能的复合丝线结构、最优传感性能的导电织物结构都将具有一定的理论和实际应用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 智能服装概述
• 1.2 智能服装的技术思路及应用
• 1.3 智能服装中传感元件的研究现状
• 1.3.1 材料
• 1.3.2 传感元件结构设计
• 1.3.3 柔性织物传感器的研究现状
• 1.4 柔性织物传感器的发展前景及存在的问题
• 1.5 论文研究的主要内容及意义
• 1.5.1 主要内容
• 1.5.2 研究意义
• 1.6 章节安排
• 第二章 涂碳纤维导电复合丝线导电性能的研究
• 2.1 涂碳纤维导电复合丝线结构参数选取
• 2.1.1 捻度
• 2.1.2 根数
• 2.2 实验用原材料
• 2.3 实验设备
• 2.4 涂碳纤维导电复合丝线的制备
• 2.5 涂碳纤维导电复合丝线在应变力下的导电性测试
• 2.5.1 拉伸装置的设计
• 2.5.2 测试
• 2.6 结果与讨论
• 2.6.1 复合丝线导电机理分析
• 2.6.2 实验值在理论模型中的验证
• 2.6.3 应变对导电复合丝线电阻的影响
• 2.6.4 导电复合丝线在不同拉伸范围内的电阻变化
• 2.7 小结
• 第三章 针织结构对涂碳纤维导电织物传感性能影响的实验
• 3.1 织物织造丝线的选取
• 3.2 织物组织结构的选取
• 3.3 实验项目
• 3.3.1 拉伸实验
• 3.3.2 水洗实验
• 3.4 导电针织物的制备
• 3.4.1 涂碳纤维复合丝线的加捻
• 3.4.2 导电针织物的制备
• 3.5 实验
• 3.5.1 实验仪器设备
• 3.5.2 水洗实验
• 3.5.3 拉伸测试
• 3.6 小结
• 第四章 涂碳纤维导电针织物传感性能的分析
• 4.1 织物电阻与拉伸率之间的关系
• 4.2 不同拉伸速度对织物电阻变化的影响
• 4.3 导电织物反复拉伸对传感性能的影响
• 4.3.1 灵敏度
• 4.3.2 线性度
• 4.3.3 稳定性
• 4.3.4 重复性
• 4.3.5 应力松弛特性
• 4.4 水洗对织物导电性能的影响
• 4.5 小结
• 第五章 涂碳纤维导电针织物的机理分析
• 5.1 基本假设
• 5.2 针织结构单位线圈
• 5.3 涂碳纤维导电复合丝线接触电阻实验
• 5.3.1 接触电阻试样
• 5.3.2 实验仪器及方法
• 5.3.3 实验结果与讨论
• 5.4 织物在拉伸过程中的线圈形变
• 5.5 小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 研究的不足
• 6.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间的论文发表情况及主要研究工作