銅鎳金屬涂層機織物拉伸過程中電流的響應(yīng)

賈高鵬， 宋小紅， 李 瑩， 劉曉丹， 潘雪茹

(1. 鹽城工學(xué)院 紡織服裝學(xué)院， 江蘇 鹽城 224051； 2. 江西省纖維檢驗局， 江西 南昌 330029；3. 陜西省紡織科學(xué)研究院， 陜西 西安 710038； 4. 河南省纖維檢驗局， 河南 鄭州 450008)

柔性傳感器具有良好的柔韌性和延展性，在醫(yī)療保健、電工電子、運動器材、紡織品、航天航空、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。近年來針織結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電織物成為柔性傳感器的研究熱點。在有關(guān)本征導(dǎo)電針織物研究中：楊斌等[1]認為不銹鋼針織物電導(dǎo)在一定應(yīng)變范圍內(nèi)成線性關(guān)系，織物結(jié)構(gòu)變化將改變應(yīng)變傳感器的線性范圍和靈敏度；而張輝[2-3]則認為本征導(dǎo)電短纖紗可提供更多的接觸電阻而優(yōu)于長絲。機織結(jié)構(gòu)能提供規(guī)則的接觸電阻格柵，可作為壓力分布傳感器的主要結(jié)構(gòu)。

在有關(guān)鍍層導(dǎo)電針織物的傳感性能研究中，王金鳳[4]分析了鍍銀紗緯編針織物單向拉伸時的導(dǎo)電性能，豎條紋雙羅紋靈敏度最大，橫條紋雙羅紋次之，緯平針織物的最?。徊⑨槍椥跃暺郊y針織物提出電阻六角形模型[5]，認為影響鍍層導(dǎo)電針織物靈敏度的主要因素是線圈紗段轉(zhuǎn)移導(dǎo)致的電阻變化。另外有研究利用鍍銀纖維分別與氨綸及滌綸經(jīng)編形成導(dǎo)電織物[6]，與粘膠及彈力錦綸/氨綸包芯紗制備緯編針織物[7]，以及制備了緯平和1+1羅紋涂碳導(dǎo)電針織物[8]，經(jīng)過測試分析得出，彈性經(jīng)編導(dǎo)電織物的變化規(guī)律與非彈性經(jīng)編導(dǎo)電織物有所不同，緯平結(jié)構(gòu)靈敏度高于1+1羅紋，并股紗針織物靈敏度高于加捻紗針織物。

上述研究認為由張力引起織物中纖維之間接觸狀態(tài)的變化和形變是電-力響應(yīng)的根本[9]，本征導(dǎo)電材料構(gòu)成的機織物斷裂伸長低，彈性變形程度較小，本征導(dǎo)電機織物相比針織結(jié)構(gòu)的傳感特性要弱一些。而金屬涂層處理的機織物在受力過程中，基體材料往往具有良好的斷裂伸長特性，基材的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能對涂覆金屬膜的形變和接觸有重要影響，這種形式的導(dǎo)電織物傳感性能需要系統(tǒng)研究，同時上述研究中也沒有系統(tǒng)闡述拉伸速度對電流響應(yīng)的影響。為此，本文利用織物強力機和自制電流數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對滌綸基Cu-Ni金屬涂層織物電流-強力響應(yīng)情況進行研究，并以此為基礎(chǔ)探討該織物的傳感性能。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

銅鎳涂層滌綸織物，由東莞市臺昆精密材料科技有限公司提供，規(guī)格為: 平紋， 經(jīng)緯紗線密度均為 18.45 tex，經(jīng)緯密分別為382、287根/(10 cm)。

1.2 實驗儀器

YG065型電子織物強力試驗儀(萊州市電子儀器/紡織儀器有限公司)、MS8226型數(shù)字式(數(shù)據(jù)采集功能)萬用表(東莞華儀儀表科技有限公司)、佳能相機PowerShot G7 X Mark II(Canon)，UTP3315TFL數(shù)字式直流穩(wěn)壓電源(優(yōu)利德科技(中國)股份有限公司)。

1.3 實驗方法

1.3.1 斷裂強力測試

按照GB/T 3923.1—2013《紡織品 織物拉伸性 第一部分： 斷裂強力和斷裂伸長率的測量(條樣法)》制備織物試樣。利用絕緣膠帶粘貼YG065型電子織物強力試驗儀的上下夾持器內(nèi)側(cè)，對其進行絕緣處理，將準備好的織物試樣夾持到上下夾持器之間。

1.3.2 電流測試

待測織物樣條一端串接一標準電阻器和直流電源，待測織物另一端與直流電源串接，MS8226數(shù)字式(數(shù)據(jù)采集功能)萬用表的正負表臂與標準電阻器串聯(lián)，數(shù)字萬用表的RS232接口通過USB數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器與計算機相連接。電子織物強力機拉伸織物獲得強力與伸長數(shù)據(jù)，拉伸過程中電流數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成對整個織物拉伸過程的電流數(shù)據(jù)采集。測試示意圖和實物圖分別如圖1、2所示。本次測試所用電壓為9 V，標準電阻器電阻為1 kΩ, 采樣頻率為10 Hz。

圖1 織物拉伸過程中電流響應(yīng)測試示意圖

圖2 織物拉伸過程中電流響應(yīng)測試裝置

1.3.3 靈敏度分析

傳感器的靈敏度是指傳感器在穩(wěn)態(tài)工作情況下輸出量電阻變化對輸入量變化的比值[10]，其計算公式為：

式中：G為靈敏度；ΔR為R-R0，即織物電阻的變化；R為拉伸過程中織物電阻，Ω；R0為織物在伸直而未拉伸時的初始電阻，Ω；ε為織物的應(yīng)變。待測織物拉伸過程中的應(yīng)變和電流可根據(jù)圖1中的電路參數(shù)計算出對應(yīng)的靈敏度。

1.3.4 形貌觀察

將佳能相機固定于織物強力機的上下夾持器正前方，用于拍攝待測織物拉伸斷裂后斷口處的宏觀形貌圖。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 織物經(jīng)向拉伸

2.1.1 織物經(jīng)向電流響應(yīng)

圖3為不同拉伸速度下織物經(jīng)向拉伸時電流對拉伸的響應(yīng)圖?？煽闯?，不同拉伸速度下強力-伸長曲線形態(tài)非常近似，織物的強力與伸長曲線較難反映出低速度與高速度之間織物內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化。從電流響應(yīng)曲線可以看出：隨著拉伸速度的增加，電流響應(yīng)變化近似直線；電流響應(yīng)在斷裂前屈服點附近會出現(xiàn)較為明顯的衰減特征，而低速(20 mm/min)時該特征并不明顯。從電流響應(yīng)情況可以推知，低速拉伸甚至蠕變過程中的織物內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化與速度較高過程存在一定的差異。

注：A1、B1、C1、D1分別為速度等于20、100、200、300 mm/min時的拉伸曲線；A、B、C、D分別為對應(yīng)的電流曲線。

涂層織物拉伸過程中，織物基材拉伸的同時伴隨表面金屬膜的拉伸，由于滌綸纖維與金屬膜的力學(xué)性質(zhì)差異較大，使得拉伸過程中會出現(xiàn)金屬膜延展變薄以及最終破裂，從而引起金屬膜電阻增大和導(dǎo)電通道數(shù)量減少，該織物的電流隨伸長的增加而減小。

拉伸過程中雖然出現(xiàn)金屬膜破裂，但經(jīng)紗方向纖維表面的金屬膜相互之間由于緯紗的約束作用而接觸較緊密，金屬膜之間的接觸電阻對電導(dǎo)的影響較小，導(dǎo)電通道數(shù)量下降不顯著，因此織物的電流并未因拉伸程度的增大而迅速減小，表現(xiàn)出較小的斜率。隨著織物形變增大到斷裂前的屈服附近時，紗線中纖維開始大量地出現(xiàn)滑脫和斷裂，同時在緯紗的影響下，經(jīng)紗之間正壓力也開始減小，纖維上金屬膜之間接觸程度減小，接觸電阻迅速增大，導(dǎo)致在斷裂前的屈服階段織物的電流響應(yīng)出現(xiàn)較為明顯的突變。

2.1.2 織物斷口形貌

織物斷裂時，強力機會立即停止拉伸，因此，被測試樣并非完全斷開，往往會觀察到被測涂層織物的裂口處出現(xiàn)較為明顯的大量滑脫痕跡，如圖4所示。

圖4 織物斷口形貌

拉伸結(jié)束時，緯向紗線對經(jīng)向系統(tǒng)紗線的壓力幾乎為零，纖維表層金屬膜之間近乎無壓力，電流突降無明顯規(guī)律性。

在低速拉伸過程，織物基材滌綸的伸長較慢，金屬膜的延展能跟得上基材的形變，金屬膜裂紋的出現(xiàn)相對高速拉伸要慢一些。在這個過程中，由于緯紗系統(tǒng)的擠壓作用，導(dǎo)電通道數(shù)量相比高速情況下降不多，因此低速拉伸的電流響應(yīng)曲線斜率要比高速情況大一些，在斷裂前屈服附近電流突變情況要小一些。在較高速度下，金屬膜裂紋快速出現(xiàn)，材料斷裂的同時性增加，因此高速電流響應(yīng)曲線的斜率小，電流存在較為明顯的突變。高速條件下材料力學(xué)響應(yīng)的同時性接近，因此，從圖3基本可看出，低速(20 mm/min)和高速(100、200、300 mm/min)拉伸的電流響應(yīng)曲線的斜率略有差異。速度越高，該織物的電流響應(yīng)曲線斜率越小，且差異減小；較高速度下電流響應(yīng)曲線形態(tài)近似，高速拉伸的電流突變要早于低速拉伸。

2.2 織物緯向拉伸

圖5為不同拉伸速度下織物緯向拉伸時電流對拉伸的響應(yīng)圖?？梢钥闯?，該金屬涂層織物的緯向拉伸曲線與經(jīng)向拉伸曲線有一定的差異，相同速度下緯向拉伸的織物表現(xiàn)出較大的伸長和較低的拉伸斷裂強力。低速和高速之間的電流響應(yīng)也存在較大差異。低速(20 mm/min)拉伸對應(yīng)的電流響應(yīng)線性度較低，高速拉伸對應(yīng)的電流響應(yīng)曲線近似直線。

注：A1、B1、C1、D1分別為速度等于20、100、200、300 mm/min時的拉伸曲線；A、B、C、D分別為對應(yīng)的電流曲線。

緯向拉伸曲線初始模量較小，相比經(jīng)向拉伸起始階段紗線中的纖維更易在拉伸初始階段伸展變形。在較低速度(20 mm/min)下，拉伸初始階段，緯紗伸展的同時金屬膜延展。一方面金屬膜的延展能力要弱于紗線中的纖維，金屬膜破裂，導(dǎo)電通道減小，相比經(jīng)向低速拉伸，金屬膜可能破裂的程度更大；另一方面，拉伸過程中經(jīng)紗系統(tǒng)對緯紗的擠壓作用要弱一些，紗線在拉伸中的可能表現(xiàn)滑脫占的比重較大。這兩方面導(dǎo)致織物緯向低速拉伸的電流響應(yīng)曲線相比經(jīng)向低速(20 mm/min)拉伸線性程度要差一些。從圖3、5中能清楚地看到這種差異。

低速(20 mm/min)拉伸階段，在織物斷裂前的屈服點附近電流響應(yīng)曲線并未表現(xiàn)出明顯的突變。其一，材料受力變形過程中，金屬膜之間相互接觸，隨著滑脫程度的增加而減小，織物拉伸方向的導(dǎo)電通道逐漸減??；其二，經(jīng)紗系統(tǒng)對緯紗的擠壓作用在低速拉伸下逐漸減小，因此在拉伸臨近織物斷裂前屈服點附近，織物中的相互擠壓并未表現(xiàn)為突然消失，因此對應(yīng)的在屈服點附近電流響應(yīng)沒有明顯的突變現(xiàn)象。緯向拉伸速度較快時，緯向拉伸曲線對應(yīng)電流響應(yīng)的成因與經(jīng)向拉伸類似，拉伸過程中經(jīng)紗系統(tǒng)對緯紗系統(tǒng)的紗線擠壓作用可能要強一些，在一定程度上彌補了材料斷裂的同時性，因此，該織物緯向拉伸電流響應(yīng)線性度在較高速度時要比對應(yīng)經(jīng)向差一些。

2.3 經(jīng)緯向靈敏度

根據(jù)公式可計算該織物經(jīng)緯向不同拉伸速度時的電流響應(yīng)突變前的應(yīng)變ε與對應(yīng)的靈敏度G，結(jié)果如表1所示。

從表1數(shù)據(jù)可以看出，對于該織物的經(jīng)向拉伸，除了在100 mm/min的靈敏度G值較大外，基本上G值隨著拉伸速度的增加而減小，且差異減小。該織物緯向相比經(jīng)向具有較大的延展性，緯向拉伸具有較大的斷裂伸長，織物緯向相比經(jīng)向具有較大的G值?？椢锞曄虻腉值隨著拉伸速度的增加而減小，且差異變小。從表1可以看出：隨著拉伸速度的增高，經(jīng)緯向測試的靈敏度都降低；低速拉伸過程中該織物經(jīng)緯向都有較大的靈敏度。

表1 經(jīng)緯向應(yīng)變及靈敏度

3 結(jié) 論

本文自制電流數(shù)據(jù)采集設(shè)備，利用織物強力機測試金屬涂層滌綸織物拉伸過程中電流的響應(yīng)，得到如下結(jié)論。

1)從低速到高速拉伸過程中，經(jīng)向拉伸電流響應(yīng)曲線具有一定線性特征，低速拉伸的電流響應(yīng)曲線與高速的電流響應(yīng)曲線略有差異。經(jīng)向低速拉伸曲線的電流響應(yīng)在斷裂前屈服附近突變不明顯，速度較高時電流突變明顯。高速比低速拉伸斜率略小，速度越高時，電流響應(yīng)形態(tài)趨近一致。經(jīng)向低速拉伸具有較高的靈敏度，拉伸速度高，靈敏度降低。

2)該織物在緯向拉伸過程中，低速拉伸對應(yīng)的電流響應(yīng)曲線線性度較差；高速時，電流響應(yīng)曲線具有較明顯的線性特征，隨著拉伸速度的增大，曲線斜率有減小的趨勢。低速拉伸對應(yīng)的電流響應(yīng)在斷裂前的屈服點附近沒有非常明顯的電流突變，高速拉伸相應(yīng)的電流突變較明顯。緯向低速拉伸具有較高的靈敏度，拉伸速度高，靈敏度減小。

3)該織物緯向彈性較好、伸長大，相比經(jīng)向具有較高的靈敏度，織物的經(jīng)緯向伸長對靈敏度有重要的影響。