包覆度对包覆纱应变传感器基本传感性能的影响

弹性包覆纱具有螺旋包缠结构,在纱线应变传感器的设计中得到了广泛应用。但是,目前还没有关于包覆纱结构参数与其传感性能之间关系的研究。针对包覆纱的结构参数——包覆度和包覆纤维结构,分别制作了包覆度20～40捻/cm的单层和双层包覆纱线,并进行聚吡咯原位聚合形成导电纱,通过测试在拉伸应变下的电阻响应,评价其作为传感器的灵敏性、敏感阈值和重复稳定性。试验结果显示:包覆纱应变传感器的电阻响应随包覆度不同而变化,灵敏性在包覆度为40捻/cm时最好,能检测应变低至0.5%的拉伸运动;单层包覆结构传感器的包覆度越小,重复稳定性越好,而双层包覆结构正好相反。     

基于原位冷冻界面聚合法的纱线传感器制备及其应变传感性能

为解决传统传感器柔性差、制备成本高等问题,以涤纶包氨纶纱为基材,通过聚多巴胺修饰和聚吡咯的原位冷冻界面聚合制备了具有快速响应、稳定的电力学性能和循环耐用传感性能的柔性纱线应变传感器。利用扫描电子显微镜、X射线能谱分析仪、傅里叶红外光谱仪对导电纱的微观形貌和化学结构进行表征,探究了不同拉伸应变下导电纱的电阻变化性能。结果显示：在吡咯单体与三氯化铁的量比为1的最佳配比下,在不同的拉伸范围、拉伸速度下,纱线传感器电阻变化稳定,拉伸形变小于6%时,灵敏度达4.039;在10%应变下,响应时间为166.67 ms;此外,纱线循环拉伸1 000次后仍具有优异的稳定性。导电纱可通过编织、针织或刺绣等方式与织物相结合,实时监测人体关节活动,广泛应用于人体运动识别和远程医疗服务等领域。     

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。     

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。     

柔性应变传感针织物的研究进展

针织物具有良好的延伸性和弹性,适于制备柔性应变传感器。对近几年国内外电阻式柔性应变传感针织物的研究进行综述,总结针织物柔性传感器的制备材料和方法,包括基于导电金属材料、基于导电高聚物、基于纳米碳材料的传感针织物,并研究分析组织结构对织物传感性能的影响。该研究为应变传感针织物的材料选择和结构设计提供参考。     

碳纳米线的拉伸应变传感特性

为开发用于三维编织复合材料原位结构健康监测的碳纳米线传感器,建立了碳纳米线应变传感实验系统,通过纵向拉伸实验,分析了碳纳米线的机械性能（应力和应变）和电性能（初始电阻和应变灵敏系数）之间的关系,并对性能参数进行了Weibull 统计分析,系统研究了碳纳米线的应变传感特性。结果表明：纵向拉伸负载期间,碳纳米线相对电阻变化与应变呈现良好的线性关系;碳纳米线具有与传统应变监测相当的应变灵敏系数,适合用于检测破坏极限应变远小于碳纳米线应变（碳纳米线的破坏应变均值10％,最小值为2.5％）的复合材料的损伤,是复合材料结构健康监测传感器的良好候选材料。     

经编导电针织物的应变-电阻传感性能

为探讨经编导电织物的应变-电阻传感性能,将镀银锦纶与氨纶或涤纶在特里科经编机上采用两梳交织,制备了具有不同组织结构的4种经编导电织物,测试了4种织物在拉伸条件下的电阻变化,得到经编导电织物的电阻随应变的变化规律,分析了组织结构以及氨纶弹性对经编针织柔性导电织物的应变-电阻传感性能的影响。结果表明:所选镀银锦纶导电纤维具有良好的可编织性;非弹性经编导电织物的电阻随应变的增加呈现先减小,再趋于平稳,最后略有上升的趋势;非弹性经编导电织物随着镀银纱线延展线长度的增加,造成小应变下的灵敏度增加;弹性经编导电织物呈现出电阻随应变的增加先增加再减少最终趋于平稳的趋势。     

经编导电织物弹性对传感性能的影响

为探讨经编导电织物弹性与传感性能的关系,将镀银基锦纶纱线作为导电纱线分别与氨纶包覆纱线和氨纶裸丝在特里科经编机上交织,制备了具有不同弹性的3种经编导电织物。测试了3种织物在一定拉伸范围内的应力大小与电阻变化,并根据实验数据计算出弹性性能和静态评价指标,得出弹性与传感性能的关系。结果表明:弹性导电织物的电阻随应变呈线性变化,原料越粗则电阻变化的速度越快;弹性模量随着织物弹力的增大而减小,弹性伸长与织物弹力的大小成正相关;在中小应变范围内,弹性模量越低、弹性伸长越大的导电织物传感性能越优。     

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。     

纤维/纱线柔性电阻式应变传感器的研究进展

系统介绍纤维/纱线柔性电阻式应变传感器的传感机理和性能参数,详细阐述涂层法、熔融纺丝法或湿法纺丝法、结构设计法制备纤维/纱线柔性电阻式应变传感器的工艺特点及研究现状,展示纤维/纱线柔性电阻式应变传感器在可穿戴领域的应用,最后指出其在可穿戴领域应用中所面临的困难以及其未来的发展方向。     

光纤布拉格光栅脉搏传感织物的设计

为在服装中实现人体脉搏监测的功能,提出了将光纤布拉格光栅作为脉搏传感器的方法,并以针织复合组织为基础,采用空气层与其他组织相结合的织物结构,制作脉搏传感织物。该织物采用棉纱在Stoll CMS-320型电脑横机上进行编织,并利用针织物延伸性好以及回弹性好的优点,将光纤布拉格光栅传感器植入到织物的空气层中。为验证脉搏传感织物的检测效果,使用红外脉搏传感器与该脉搏传感织物同时进行脉搏检测,实验结果表明,该脉搏传感织物可以低失真度的检测到脉搏波,可以实现光纤布拉格光栅传感器的封装,同时也可以更换传感器,满足服装洗涤要求,且不影响穿着舒适性。     

Determinants of electrical resistance change of in situ PPy-polymerized stretch plain woven fabric under uniaxial tensile strain

Although the conductive stretchable woven fabric has been widely used as the sensitive material of strain sensors monitoring human motion, it is lack of a deep understanding of the determinants of its electrical resistance change under uniaxial tensile strain. This study chose two kinds of typical stretchable plain woven fabric, i.e. cotton/spandex core-spun yarn fabric and polyester/spandex filament yarn fabric, and they were coated by in situ polymerization of polypyrrole. Their electromechanical responses under certain uniaxial tensile loadings were measured and compared. Meanwhile, by a multi-architecture analysis, i.e. the intrinsic resistance of yarns, the contact resistance of interlacing yarns and the contact resistance of adjacent yarns in parallel, several hypotheses were proposed and tested to determine the determinants of electrical resistance change under tensile strains. The results showed that the resistance change in woven fabric with in situ polymerization of polypyrrole mainly depends on the contact resistance of the adjacent conductive yarns in tensile direction, and the electromechanical responses of the cotton/spandex core spun yarn are significantly different from those of the polyester/spandex filament yarn. It was concluded that the conductive yarn density and fabric structure are critical parameters of woven fabric as resistive strain sensor.     

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。     

Tensile behavior of Basalt/Glass single and multilayer-woven fabrics

High strength fabrics are perfect materials for use in automotive and aerospace systems, where high performance and light weight structures are demanded. Mechanical characterization under constant loading is of great importance for these materials. The purpose of this study is to analyze the tensile properties of Basalt and Glass-woven structures at different pick density, weave design, stitch distance, and number of layers. For this purpose, single and double layerwoven fabric structures have been prepared using Basalt and Glass yarns on sample weaving loom. Their uniaxial testing has been performed to analyze their tensile curves. Analysis of variance showed the statistical significance of material, pick density, direction of applied load, weave, and stitching in strength of fabric, while the effect of stitch distance was insignificant.     

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.     

机织针织复合织物与多层双轴向纬编织物拉伸性能对比

选用玻璃纤维作经纱、纬纱和高强涤纶作针织纱分别编织机织针织复合(CWK)织物和多层双轴向纬编(MBWK)织物,测试两种织物的横向、纵向的拉伸性能,分析比较拉伸负荷和位移特征曲线。研究表明：在拉伸过程中,CWK织物MBWK织物均先由其中的经纱或纬纱,在较低的伸长下,承担较高的负荷,直至经纱或纬纱断裂,然后由针织结构,在较高的伸长下,承担较低的负荷,直至针织结构破坏;经纱和纬纱以交织形式衬入针织结构中,使得CWK织物的轴向的拉伸强度稍低于MBWK织物,但起到一定的“预牵伸”作用,可使针织纱对经纱和纬纱捆绑效果更好。     

宏弯光纤应变传感经编织物的设计

为开发一种利用宏弯原理测量人体呼吸和心跳的光纤传感织物,设计了以棉纱编织的经绒斜为地组织,以直径为1 000μm的聚合物光纤为衬纬纱的经编衬纬复合织物。通过光纤弯曲实验研究了光纤弯曲曲率半径与光信号衰减之间的关系,确定了衬纬光纤的初始弯曲曲率半径为10 mm,选择传感循环单元数为2;通过比较分析双梳经编织物组织的特点,确定了传感织物的地组织。在此基础上设计了织物垫纱运动图和线圈密度,并在手动经编小样织机上编织出传感织物;最后对这些织物进行了测试。结果表明,传感织物可通过电压值变化的形式反映出拉伸过程中光信号相对于织物形状的变化。     

针织间隔导电织物的压力电阻传感性能

为了研究针织间隔导电织物的压阻传感性能,将镀银锦纶与锦纶/氨纶包覆纱在无缝成型内衣机上进行编织,制备了3种纬编导电织物,将其与经编间隔织物结合,测试并得到了电阻随应变的变化规律,分析了导电区域面积及压缩方式对电阻-应变传感性能的影响。结果显示:压缩面呈平面时,压缩过程分为电阻随应变的增加先缓慢减小、再急速下降两个阶段;曲面压缩时,压缩过程分为电阻微弱减小、缓慢上升、急剧下降三个阶段,其中曲面压缩阶段Ⅲ和平面压缩阶段Ⅱ均具有较好的线性度和灵敏度,且前者灵敏度优于后者;当传感面积为35 mm×35 mm,且从织物横列方向进行曲面压缩电阻的测量时,传感器的综合传感性能最佳。     

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。     

棉/Ti3C2导电纱制备及其电容式压力传感器的性能

为了探究类石墨烯二维结构材料(MXene)与天然纤维的结合效果,及其所得导电纱线在柔性电容式传感器中的应用情况,以一种新型二维过渡金属碳化物Ti₃C₂为导电材料、以棉纱为基体纤维,实现了导电纱线的连续化制备;然后以此导电纱线为电极、以横编间隔织物为介电层,设计了一款电容式压力传感器。研究了处理时间对纱线微观形貌、结合效果以及导电性能的影响;分析了该压力传感器的力学性能与电容特性。实验结果表明:随着处理时间的延长,Ti₃C₂材料与棉纱复合得到的纱线电导率可达0.872 S/cm;制备的传感器压缩回复性好、电容特性显著,灵敏度最高达到0.028 kPa^-1,能在150 ms内对压力快速响应,200次压缩循环中展现了良好的耐久性与稳定性。