双应力响应纺织基柔性传感器制备及可穿戴性能研究

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随着科技的不断进步,人们对纺织品的要求不仅是保暖与外形的美观。在科技引领时尚的年代,智能可穿戴纺织品引起了人们极大的兴趣。在智能可穿戴领域,柔性力学传感器是最为广泛应用的监测装置。它可以将人体在运动过程中受到的物理力学刺激转化为可测量、传输和记录的信号,以监测人体生命体征与外界环境变化带来的力学刺激,被广泛应用于医疗、体育运动、健康监测和人机交互等领域。人体在运动过程中会做出各种幅度的肢体动作,同时也会遭受到外界的冲击力。因此,发展一种多应力模式的柔性传感器去同时监测人体在运动过程中的动作幅度变化与受到的外力刺激是智能可穿戴技术的发展需求。目前,大多数用于运动监测的新兴电子纺织品只是将单一功能的离散传感器集成组装,以分析人体动作幅度或受到的外力刺激。但这种方式通常会影响在运动过程中传感器对人体同一部位动作幅度与外力刺激的监测精度,且不能同时满足对两种刺激进行大范围的监测。因此,研发“一体式”的纺织基多应力模式传感器来同时精准地监测运动过程中人体的动作幅度与外界压力刺激,尤其是大幅度的动作变化和沉重外界打击力仍然是一个挑战。基于此本文工作内容如下:(1)电阻式拉力传感纱的制备。将碳纳米管与氧化石墨烯通过浸泡沉积的方法负载到腈纶纱线上制备导电纱线,利用传统的纺纱工艺,将导电纱线包覆在弹性氨纶长丝表面,制备了大形变包芯纱结构的电阻式拉力传感器。该拉力传感器表现出大的拉伸应变监测范围(0~80%)、快速的响应时间(120 ms)和可忽略不计的迟滞性(9.7%),更为突出的是,该传感纱具有优异的传感耐久性,可承受10万次的拉伸-回复循环。(2)电容式压力传感器的组装。将镀银纱线经纬交织获得导电电极织物,结合三维结构的间隔织物,通过热熔粘合技术组装“三明治”结构的电容式压力传感器,该传感器具有较广的压力监测范围(0~110 k Pa),快速的响应时间(340ms)、可忽略不计的传感迟滞性(3.4%),可承受10万次的按压-释放传感测试循环。(3)拉力/压力双响应传感阵列的构筑。利用传统的机织工艺,将(1)制得的拉伸应变传感纱作为一根经纱织进(2)制得的镀银导电电极织物中获得具有拉伸传感性能的电极织物,通过热熔粘合技术与间隔织物结合,构筑“电阻式/电容式一体化”全纺织基拉力/压力双响应阵列结构的电子织物。系统研究多功能双响应阵列结构纺织品的传感响应规律,以实现人体运动动作幅度与受力的同步监测,在柔性电子领域显示出巨大的潜力。
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