嵌入三维编织复合材料的碳纳米线应变传感特性

为实现三维编织复合材料的原位结构健康监测,研制了嵌入碳纳米线的三维五向编织复合材料预制件,建立了基于三维编织复合材料试件的碳纳米线应变传感实验系统,分析了嵌入三维编织复合材料中的碳纳米线应变传感特性。结果表明：在单调拉伸和循环加载卸载过程中,嵌入三维编织复合材料的碳纳米线传感器电阻变化与试件应变的线性相关性较高;在较大载荷循环加载卸载后,碳纳米线传感器产生的残余电阻可用于检测试件的损伤或累积损伤;引入电阻应变相关系数建立了电阻变化净差值与机械应变净差值的应变传感方程,可实现基于碳纳米线传感器的三维编织复合材料原位结构健康监测。     

三维编织复合材料弯曲承载下嵌入碳纳米线的特性分析

为实现三维编织复合材料实时承载监测,基于碳纳米线嵌入三维编织复合材料预制件的方法,分析了嵌入碳纳米线的三维编织复合材料制件,在不同载荷下三点弯曲的碳纳米线应变传感特性,重点分析了制件拉伸和压缩承载下碳纳米线电阻的变化。实验表明：在三点弯曲过程中,制件加载至断裂应变和碳纳米线电阻变化具有单调一致性, 碳纳米线电阻变化符合一定指数函数关系;在大负荷加载后碳纳米线产生电阻滞后现象;制件卸载后,碳纳米线传感器产生残余电阻。研究证明：碳纳米线传感器在弯曲负载下能够实时感知并监测三维编织复合材料结构健康状况,为三维编织复合材料结构健康监测系统的构建提供了参考。     

嵌入碳纳米线的三维编织复合材料损伤监测

为实现对三维编织复合材料制件损伤情况进行实时监测,提出了通过三维五向四步法在三维编织复合材料中嵌入碳纳米线传感器的方法,由于碳纳米线传感与碳纤维具有相似性,因此碳纳米线嵌入三维编织复合材料制件的对其承载性能几乎没有影响。通过三点弯曲实验分析了碳纳米线在三维编织复合材料制件遭受外界应力时其电阻变化率与应力应变的相关性。实验结果说明显示其相关性为指数拟合关系,因此,三维编织复合材料的损伤状况可通过嵌入其中的碳纳米线传感器的电阻变化率与制件所承载的应力应变函数映射关系来进行实时监测。     

嵌入银纳米线的织物型应变传感器的制备与性能

利用共轭静电纺丝技术一步制得嵌入银纳米线(AgNWs)的可拉伸纳米纤维包芯纱。将两根包芯纱十字交叉放置，在接触点处构建形成织物型应变传感器。结果表明：可拉伸的同轴包芯纱结构和嵌入AgNWs导电网络的弹性多孔纳米纤维传感结构使制备的织物型传感器具有高应变灵敏度，灵敏度系数为34.5～934.0,具有较大的应变传感范围(130%)和良好的循环稳定性，并可贴附在人体关节处用于运动监测。     

银纳米线涂层的编链结构纱线拉伸应变传感器

为制备柔性纱线拉伸应变传感器,将蚕丝加捻得到的蚕丝纱编织为闭口编链组织结构;通过多元醇还原硝酸银的方法制备银纳米线,在银纳米线的乙醇分散液中通过浸渍方法对基底纱线进行导电修饰,最终得到银纳米线涂层的编链组织拉伸应变传感器,研究了该组织结构拉伸应变传感器的应变-电阻传感性能。结果表明:编链组织结构的传感器具有显著的拉伸应变传感性能,该纱线传感器的电阻随着应变量的增加而减小;在拉伸应变小于5%的范围内,拉伸应变系数高达20.14;传感器在0.01~1.00 Hz 的拉伸频率范围内有稳定的响应,且传感器具有很好的循环稳定性。     

纺织材料基可穿戴柔性应力/应变传感器的发展及应用

从柔性纤维、纱线、织物作为传感部件的角度,系统探讨了基于纺织材料的应力/应变传感器的设计方法、性能及应用。从拉伸性能、疲劳寿命和变形过程中电阻的相对变化等方面对其进行了评价,比较了传感器的灵敏系数、应变范围及稳定性等的优缺点。介绍了纺织材料基柔性传感器在人体运动、生命健康监测等领域的研究现状和发展趋势。认为未来开发具有高应变范围、灵敏性及稳定性的纺织力学传感器将是一个重要发展方向,并提出可以通过结构优化、使用新材料等方法来实现的建议。     

基于碳纳米线传感器的三维六向编织复合材料内部损伤定位

为研究三维编织复合材料的实时结构健康状态监控,针对三维六向编织复合材料编织结构,采用三维四步六向编织方法将碳纳米线传感器以轴向纱和六向纱形式嵌入复合材料中,提出了一种构建智能三维复合材料的方法,建立了基于碳纳米线的三维编织复合材料试件内部损伤监测系统。基于碳纳米线测量的电阻值矩阵,采用四分矩阵奇异值分解方法分析信号矩阵的主要特征,计算试件内部的损伤准确位置。实验采用5种不同类型损伤试件进行分析,结果表明,该方法计算的试件内部损伤位置与实际损伤一致,测量的损伤位置坐标误差小于1。该研究可为智能三维编织复合材料的健康监测发展提供理论基础。     

聚苯胺涂层经编织物的应变传感性能及其在呼吸监测中的应用

为制备呼吸监测智能服装用针织结构柔性传感器,首先通过等离子体对双经平结构的涤纶经编织物进行预处理,然后利用原位聚合法进行导电处理,分析了导电经编织物的微观结构与导电性能、应变-电阻传感性能,并探讨了其在呼吸监测智能内衣中的应用。结果表明：原位聚合法导电处理可赋予涤纶经编织物良好的导电性能,织物的电阻率较未处理时降低了约11个数量级;导电经编织物具有良好的应变-电阻传感性能,往复拉伸后电阻变化保持稳定,在6%和10%的应变条件下,其敏感因子分别为6和4左右;导电经编织物传感器具备良好的人体呼吸监测能力,不仅能记录呼吸的发生,还可监测呼吸的频率及强度。     

基于柔性应变传感器的人体下肢运动监测分析

针对可穿戴智能纺织品对于柔性可拉伸传感元件的需求,探讨柔性应变传感器在人体运动监测领域的可行性。以下肢跑步运动为例,选取大腿前中、大腿外侧偏上以及膝上3个位置放置柔性传感器,对跑步运动进行监测,利用传感器采集到的应变-电阻变化信息获取人体下肢运动状态。运动测试结果表明,随着人体跑步运动速度的变化,柔性传感器产生不同的拉伸变形,传感器应变-电阻变化与实际体表拉伸产生的形变趋势相同,其中放置于不同位置上的传感器产生的电阻变化差异能够较好地用于表征人体下肢运动强度、运动周期数等。完成了智能跑步运动裤的基础原型制作,并验证了可穿戴式柔性传感器用于人体下肢运动监测的可行性。     

超高分子量聚乙烯/聚苯胺导电针织物的应变传感性能

为制备超高分子量聚乙烯/聚苯胺复合导电纱线,以超高分子量聚乙烯（Ultra High Molecular Weight Polyethylene,UHMWPE）长丝纱为基材,对其进行常压等离子体预处理后采用基于原位聚合的纱线连续导电处理方法制备了超高分子量聚乙烯/聚苯胺（UHMWPE/PANI）复合导电纱线。利用制得的复合导电纱线制备了圆筒状纬平针织物作为应变传感器,进行了传感织物的应变-电阻传感性能研究。研究结果表明：导电针织物表现出明显的应变-电阻传感性能,其电阻随应变的增大先增大,至一定值后随着应变的增大而减小。传感织物具有较高的敏感度,在应变小于20%时,其传感因子可达30以上。多次拉伸时,传感织物的传感重复性逐渐提高,拉伸3次以后,传感织物表现出良好的传感重复性。     

静电纺纳米纤维柔性应变传感器的研究现状

为系统分析静电纺纳米纤维应变传感器的设计方法和材料种类对传感性能的影响,进一步明晰其传感机制,综述了碳纳米纤维、聚偏二氟乙烯和聚氨酯纳米纤维基柔性应变传感器的制备方法,比较了这些传感器的敏感系数、应变范围及稳定性等的优势与缺陷,介绍了静电纺纳米纤维材料应变传感器在人体运动、生命健康监测等领域的研究现状和发展趋势。最后提出传感器基体的应变能力及恢复性对其应变范围及稳定性具有决定性影响,其基体形成的导电网络结构在应变过程中易发生结构损伤,且初始电阻越小,基体及导电网络的有效应变范围越大,传感器的性能越好,认为未来开发具有高应变范围、灵敏性及稳定性的静电纺纳米纤维基应变传感器将是一个重要发展方向。     

碳/芳纶混编三维编织复合材料拉伸性能

为分析三维编织复合材料拉伸性能和失效机制,分别以碳纤维和芳纶纤维为轴纱和编织纱织造了三维五向、三维六向碳/芳纶混编复合材料。采用数字图像相关法采集试样在单轴拉伸过程中表面全场应变信息得到的泊松比。结果表明：三维编织复合材料泊松比受编织结构的影响较大,同种编织结构下,碳纤维为轴纱的复合材料基本保持了碳纤维三维编织复合材料的拉伸强度和模量,同时提高了断裂伸长率;芳纶纤维为轴纱的复合材料则显著提高了断裂伸长率,但拉伸强度和模量损失较为明显;同种混编方式下,三维五向编织复合材料的拉伸强度和拉伸模量较三维六向高,断裂伸长率无明显差异。编织纱分别为碳纤维和芳纶纤维的三维编织复合材料高应变区分别类似点阵分布和波浪线分布,三维五向和三维六向编织复合材料高应变区分别呈均匀分散分布和横向分布。     

聚丙烯腈/聚砜酰胺复合纳米纱线的制备与表征

针对聚丙烯腈(PAN)耐热性能较差,聚砜酰胺(PSA)阻燃但染色性能较差等问题,在保持纺丝液质量分数、纺丝接收距离等条件不变的前提下,利用自制旋转式动态静电纺纱机,分别采用不同纺丝电压和不同接收器转速制备一系列聚丙烯腈/聚砜酰胺复合纳米纱线。借助扫描电子显微镜、单纱强力机、毛细管效应测定仪、傅里叶变换红外光谱仪和热重分析仪对复合纳米纱线的结构和性能进行表征。结果表明:纺丝电压和接收器转速对纳米纱线的形态影响比较明显,并进一步影响纱线的力学性能;当纺丝电压为25 kV、接收器转速为40 r/min时,纱线具有较好的外观形貌、力学性能和热性能;当接收器转速为60 r/min,纺丝电压为30 kV时,纳米纱线的芯吸性能最好。     

Effect of weft density and percentage of stainless steel fiber content of weft yarn on electrical properties of woven fabric strain sensors

Textile-based strain sensors have been used in smart textiles frequently. In this study, effect of percentage of stainless steel fiber of spun yarn (i.e. 28 and 40%) and weft density (i.e. 14, 18, and 22 per cm) of conductive yarn on performance and sensitivity of woven fabrics strain sensor under tensile cyclic loading in 3 mm elongation and also behavior of woven fabric strain sensors under simple tensile loading, was studied. Our finding showed the interaction between weft density and percentage of conductive fiber of spun yarns on performance and sensitivity of strain sensors under cyclic loading. Samples prepared by conductive yarns with 40% stainless steel fiber showed no clear cyclic variation in 18 and 22 weft per cm. This trend for samples woven with conductive yarn with 28% stainless steel fiber was only observed in 22 weft per cm. All samples showed the same trend of resistance variation during simple tensile loading, although the level of resistance variation was different. The slope of resistance variation during tensile cyclic loading confirmed plastic deformation of samples. Finally, by comparing the sensitivity of strain sensors during cyclic loading no obvious advantage was obtained for samples woven with conductive yarn with 40% stainless steel fiber compared with samples woven with conductive yarn with 28% stainless steel fiber.     

智能复合材料中碳纳米管纱线参数设计及其变化特征

为将碳纳米管纱线传感器嵌入复合材料中, 利用三维编织技术构建了智能三维编织复合材料。针对三维六向编织复合材料编织结构,构建了编织机携纱器运动数学模型;提出了智能复合材料嵌入碳纳米管纱线的数量、长度的计算方法;分析了碳纳米管纱线在承载下的电阻变化特征。实验证明：通过Bezier 曲线计算的碳纳米管纱线长度值与实际长度的误差小于1%;当拉伸应变超过2%时,嵌入的碳纳米管纱线的应力与应变开始出现非线性;试件的加载－ 卸载对碳纳米管纱线的电阻变化具有一定影响,试件承受大负荷卸载后,碳纳米管纱线会产生剩余电阻。     

含变异结构的三维机织复合材料的轴向拉伸性能

为克服加纱或减纱造成三维机织预制体交织结构的局部变异,进而对复合材料的力学性能产生一定的影响,采用加纱和减纱相结合的方法分别制备了4种三维机织石英纤维树脂基复合材料,结合拓扑方法建立了加减纱区域的路径,利用数字图像相关技术研究了拉伸过程中全场纵向应变变化。结果表明:引入加、减纱变异结构试样的拉伸强度和拉伸模量的保留率分别大于93.0%和88.0%,断裂伸长率无明显差异,且与未引入加、减纱试样在拉伸过程中的力学响应规律、断裂失效模式基本一致;应变云图表明损伤起始于交织点,引入加减纱的试样其高应变集中在加减纱“点”处,同时存在富树脂低应变区域与之对应。     

三维六向编织SiCf/SiC复合材料的力学行为及其损伤机制

为解决陶瓷基复合材料在服役过程中因拉伸和弯曲导致的失效问题,以三维六向编织SiC_f/SiC复合材料为研究对象,分析了受力过程中复合材料力学行为与纤维及结构的联系机制。采用微计算机断层扫描技术获得材料结构及孔隙的三维图像,对复合材料纵向和横向进行拉伸、弯曲性能测试,并阐明其损伤机制。结果表明:复合材料呈现明显的各向异性特性,纵向拉伸强度和弯曲强度分别是横向的10.37、5.06倍;复合材料不同方向受力的损伤模式不同,拉伸载荷下纵向试样裂纹沿着六向纱呈Z字形扩展,而横向试样裂纹沿着编织轴向扩展,最终导致拉伸破坏;弯曲载荷下裂纹沿着厚度方向扩展,并最终导致纵向及横向试样的韧性断裂,且纵向韧性优于横向。