針織結(jié)構(gòu)柔性傳感元件的拉伸電學(xué)性能

張瑩瑩，沈蘭萍，翟婭茹

(西安工程大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710048)

0 引 言

2018中國服裝杭州峰會(huì)暨首屆中國服裝智能制造大會(huì)的舉行，人工智能、大數(shù)據(jù)、智能可穿戴等話題便成為熱點(diǎn)[1-2]。傳感器是智能可穿戴服裝的重要組成部分[3-4]，普通傳感器柔軟性、舒適性較差，不能滿足智能紡織品的使用要求，因此柔性傳感器應(yīng)運(yùn)而生。柔性傳感器柔韌性好[5]，可延伸、彎曲與折疊[6-7]，能使紡織品快速實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)的動(dòng)態(tài)變化，如通過新型油墨3D打印制成一種模擬人體皮膚質(zhì)感和靈敏度的新型壓阻式傳感器[8]。目前柔性傳感元件的種類主要有紗線型和織物型，織物型柔性傳感元件更能保證精度的有效性和可行性[9]。隨著紡織材料與技術(shù)[10]、柔性集成與傳感技術(shù)[11]、智能可穿戴技術(shù)[12]、新型智能機(jī)器人等的發(fā)展，紡織結(jié)構(gòu)的柔性傳感元件已逐步應(yīng)用到各領(lǐng)域[13]，如采用電紡絲聚合物纖維墊制成的柔性電阻型應(yīng)變傳感器，可監(jiān)測人體運(yùn)動(dòng)[14]。針織物因其線圈結(jié)構(gòu)而具有良好的拉伸彈性，且舒適貼身、質(zhì)輕，易襯入導(dǎo)電傳感材料作為柔性傳感器的載體。研究表明，在小拉伸應(yīng)變下，針織柔性傳感元件在單元線圈間的接觸力變化微小，使其電阻發(fā)生改變的決定性因素是線圈間發(fā)生了紗段轉(zhuǎn)移[15]。蔡倩文等用不同導(dǎo)電纖維制備柔性傳感器，測試不同行、列的導(dǎo)電性能，結(jié)果顯示其局部電阻測試規(guī)律與文獻(xiàn)建立模型基本吻合[16]。方方等采用SOFTCEPTOR柔性傳感器進(jìn)行定伸長重復(fù)循環(huán)拉伸實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示其靈敏度很高，彈性回復(fù)率高達(dá)96%，但其重復(fù)性較差，在實(shí)際使用中需對(duì)輸出電阻進(jìn)行誤差補(bǔ)償[17]。郭秋晨等采用不同導(dǎo)電紗線制備了不同傳感區(qū)的柔性傳感器，發(fā)現(xiàn)鍍銅錦綸絲針織柔性傳感器的電阻與應(yīng)變呈線性關(guān)系[18]。

現(xiàn)有研究以對(duì)不同組織進(jìn)行一種動(dòng)態(tài)變化的電學(xué)性能研究，以及不同導(dǎo)電紗線柔性傳感器的傳感性能研究為主。針對(duì)針織結(jié)構(gòu)下不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的電學(xué)性能，本文設(shè)計(jì)開發(fā)3種不同組織結(jié)構(gòu)的針織柔性傳感元件試樣，測試其在不同動(dòng)態(tài)下的電阻變化情況，研究柔性傳感元件的電學(xué)性能。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原料及儀器

1.1.1 原料 不銹鋼纖維。線密度為78.8 dtex，電阻率為4.21×10-5Ω·cm，伸長率36.32%，強(qiáng)度2.2 cN/dtex，模量20.82 cN/dtex。

1.1.2 儀器 Instron 5565萬能強(qiáng)力拉伸儀(美國英斯特朗公司)，YF132B-XG-Ⅲ電腦橫機(jī)(德國斯托爾)，Agilent 34401A數(shù)字萬用表(深圳市世家儀器有限公司)。

1.2 針織柔性傳感元件制備

針織物由線圈相互穿套而成，其電阻會(huì)隨著線圈形態(tài)的變化而發(fā)生改變，根據(jù)針織物的線圈特點(diǎn)，用電阻六角模型構(gòu)造結(jié)構(gòu)特征[15]。選取緯平針、1+1羅紋和2+2羅紋等3種最簡單常用的針織結(jié)構(gòu)，這3種組織不僅滿足電阻六角模型規(guī)律，且滿足柔性傳感元件的基本要求，即織物在橫、縱向均具有良好的彈性和延伸性。設(shè)計(jì)并在電腦橫機(jī)上試織3種柔性傳感元件試樣，試樣參數(shù)見表1，試樣規(guī)格為20 cm×10 cm。

表1 柔性傳感元件試樣參數(shù)

1.3 測試方法

1.3.1 相同拉伸速率下的電阻 夾持長度10 cm，試樣拉伸總長度25 mm，預(yù)加載荷0.5 N，拉伸速度100 mm/min，測試模式為“結(jié)束并返回”，萬用表設(shè)定6位分辨率。

1.3.2 不同拉伸速率下的電阻 在拉伸速率為50 mm/min、100 mm/min、200 mm/min、400 mm/min時(shí)，對(duì)3種不同結(jié)構(gòu)的試樣進(jìn)行拉伸，測量電阻值變化。

1.3.3 循環(huán)拉伸狀態(tài)下的電阻 拉伸速率為100 mm/min，每次將試樣拉伸至規(guī)定伸長率后，待上夾頭至初始位，將拉伸儀的位移設(shè)為0，以便下次試樣拉伸到達(dá)25 mm后可自動(dòng)返回，循環(huán)周期設(shè)置為20次。20次循環(huán)中選取第1個(gè)3次和最后1個(gè)3次循環(huán)的測量值，比較其電阻差值的大小，值越小說明重復(fù)性越好。

1.3.4 拉伸疲勞性 試樣尺寸20 cm×6 cm，使用Instron強(qiáng)力機(jī)，在PC端設(shè)定拉伸速度為100 mm/min，夾持隔距為100 mm，實(shí)驗(yàn)疲勞次數(shù)為20次，最大拉伸率為50%。到達(dá)最大拉伸位置時(shí)保持1 min，待試樣回復(fù)后靜置2 min，得到其拉伸疲勞情況。

1.3.5 柔性傳感元件精度 柔性傳感元件的精度用靈敏度(G)來表示，電阻變化量越大，靈敏度越高，其公式如下：

(1)

式中：R為拉伸后柔性傳感元件的電阻值，Ω；R0為原始電阻值，Ω；ε為柔性傳感元件的伸長率，%。

2 結(jié)果分析

2.1 不同拉伸方向下柔性傳感元件的電學(xué)性能

3種試樣的電阻與伸長率的關(guān)系如圖1所示，靈敏度計(jì)算結(jié)果見表2。

(a)橫向拉伸

表2 橫、縱向拉伸下的靈敏度

由圖1可知，3種試樣隨橫、縱向伸長率的增加電阻均呈下降趨勢，但橫向拉伸電阻變化比縱向電阻變化小，因此相同條件下縱向拉伸的靈敏度比橫向高。這是因?yàn)樵嚇釉诳v向拉伸時(shí)，線圈接觸壓力增大且接觸點(diǎn)增多，試樣電阻變化更大，靈敏度高；而橫向拉伸時(shí)試樣易伸長，使拉伸變化延遲致使接觸點(diǎn)較少，電阻變化量較小，故而靈敏度低。用于柔性傳感元件的靈敏度不能低于1.44[16]，由表2可知，橫向拉伸下試樣1的靈敏度在規(guī)定區(qū)間，縱向拉伸的靈敏度均較高，試樣1的靈敏度最高。這是因?yàn)樵嚇?結(jié)構(gòu)緊密，拉伸時(shí)線圈連接處的接觸力增大，使電阻變化量增大，靈敏度高；而試樣2、3均是羅紋組織，結(jié)構(gòu)疏松，拉伸時(shí)易發(fā)生形變使接觸力變化延遲，電阻變化量較小，靈敏度低。

2.2 拉伸速率對(duì)柔性傳感元件電學(xué)性能的影響

不同拉伸速率下3種試樣的電阻與伸長率的關(guān)系如圖2所示，靈敏度計(jì)算結(jié)果見表3。

(a)試樣1

表3 不同拉伸速率下3種柔性傳感元件的靈敏度

由圖2及表3可知，3種試樣均在低速拉伸時(shí)電阻變化較大，高速拉伸時(shí)電阻變化較小，且低速拉伸時(shí)靈敏度高，其中試樣1靈敏度最高。這是因?yàn)樵诘退倮鞎r(shí)，試樣隨應(yīng)力的緩慢增加而快速作出響應(yīng)，使電阻值立即發(fā)生改變；當(dāng)拉伸速率加快時(shí)，試樣來不及做出響應(yīng)，電阻值不會(huì)立即變化，導(dǎo)致低速拉伸時(shí)靈敏度高，高速拉伸時(shí)靈敏度低。試樣1為緯平針結(jié)構(gòu)，組織緊密穩(wěn)定，線圈間的接觸也較緊密，因此受到拉伸時(shí)，線圈連接處的接觸力增大，電阻變化量增大，靈敏度高，而試樣2、3結(jié)構(gòu)較松散，拉伸時(shí)易發(fā)生形變，接觸力變化延遲，電阻變化量小，靈敏度較低。

2.3 循環(huán)拉伸對(duì)柔性傳感元件電學(xué)性能的影響

重復(fù)性可以間接評(píng)價(jià)傳感元件的耐用性，3種試樣循環(huán)拉伸20次的電阻變化如圖3所示，計(jì)算所得重復(fù)性結(jié)果見表4。

(a)試樣1

表4 試樣重復(fù)性

由圖4可知，在20次循環(huán)拉伸中，3種試樣電阻變化均為拉伸時(shí)降低，回復(fù)時(shí)增加，但在初始循環(huán)回復(fù)到原位置時(shí)電阻值減小，隨著整個(gè)循環(huán)拉伸的進(jìn)行，回復(fù)電阻逐漸增大。這是因?yàn)槔鞎r(shí)試樣間的接觸力逐漸增加，使電阻降低；回復(fù)時(shí)由于針織物的回彈性使線圈間產(chǎn)生小部分塑性變化，接觸力相對(duì)于拉伸時(shí)減小，故電阻逐漸增加；在初始拉伸循環(huán)中，前一次拉伸力釋放后，試樣還未回復(fù)到原始狀態(tài)就開始下一次拉伸，因此在初始拉伸循環(huán)中，回復(fù)電阻值遠(yuǎn)低于原始電阻值，而在多次循環(huán)拉伸后，試樣彈性回復(fù)穩(wěn)定，電阻變化穩(wěn)定，回復(fù)電阻值接近于原始電阻值，但由于回復(fù)時(shí)沒有完全克服摩擦力，故電阻值不會(huì)回復(fù)到原始形態(tài)。由表4可知，試樣1的電阻差值最小，重復(fù)性最好，這是因?yàn)樵嚇?的緯平針結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，循環(huán)拉伸下結(jié)構(gòu)變化??；而2種羅紋試樣結(jié)構(gòu)疏松易變形，隨著拉伸次數(shù)的增加，試樣結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化，重復(fù)性變差。

2.4 循環(huán)拉伸對(duì)柔性傳感元件結(jié)構(gòu)的影響

根據(jù)1.3拉伸疲勞性測試的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，3種試樣20次循環(huán)拉伸的結(jié)構(gòu)變化見表5。

由表5可知，3種試樣在20次循環(huán)拉伸中，試樣1蠕變較小，試樣3蠕變最大。這是因?yàn)樵嚇?的結(jié)構(gòu)緊密，線圈形態(tài)小，使得不同線圈間的聯(lián)系增強(qiáng)，外力作用于試樣1時(shí)，線圈間的作用力大從而產(chǎn)生的蠕變較小，試樣本身具有的彈性回復(fù)力使得較小蠕變回復(fù)，具有良好的尺寸穩(wěn)定性；試樣2、試樣3的結(jié)構(gòu)疏松，線圈間的作用力小于外力，使得試樣在拉伸過程中產(chǎn)生形變，甚至超過了其彈性回復(fù)力，從而產(chǎn)生較大的蠕變及明顯的彈性回復(fù)滯后行為。但3種試樣的蠕變量均不超過10%，具有一定的形變回復(fù)能力和抗疲勞性能。

表5 3種試樣20次循環(huán)拉伸的負(fù)載參數(shù)

3 結(jié) 論

1)3種試樣電阻隨橫、縱向伸長率的增加均呈下降趨勢，橫向拉伸電阻變化小于縱向，緯平針試樣的電阻變化量最大，靈敏度最高。

2)3種試樣在低速拉伸時(shí)的電阻變化量比高速時(shí)大，低速拉伸時(shí)均表現(xiàn)出高的靈敏度，且緯平針試樣靈敏度最高。

3)3種試樣在循環(huán)拉伸中，拉伸時(shí)電阻降低，回復(fù)時(shí)逐漸增大，且初始拉伸循環(huán)中回復(fù)電阻值遠(yuǎn)小于原始電阻值，多次循環(huán)拉伸后回復(fù)電阻逐漸增大，接近原始電阻值，且緯平針試樣的重復(fù)性最好。

4)3種試樣在循環(huán)拉伸中，蠕變量均不超過10%，具有一定的彈性回復(fù)能力和抗拉伸疲勞性能，且緯平針具有良好的尺寸穩(wěn)定性，羅紋試樣具有明顯的彈性回復(fù)滯后行為。