液態(tài)金屬超彈纖維應(yīng)變傳感器的制備及其性能研究

楊 欣，王玉婷，劉宇清

(蘇州大學(xué)紡織與服裝工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215021)

近年來(lái)，隨著人們生活水平的提高，人們對(duì)紡織品的要求不再停留在舒適、美觀這些基礎(chǔ)層面，而是對(duì)其功能性提出了越來(lái)越高的要求，智能纖維的概念越來(lái)越受到重視[1-2]。聚苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯(SEBS)是以聚丁二烯加氫得到的乙烯-丁烯共聚物，為中間彈性嵌段的線性三嵌共聚物，是一種熱塑性彈性體，是制備超彈性纖維的理想材料[3]。液態(tài)金屬是指熔點(diǎn)低于常溫或者常溫下為液態(tài)的金屬，如汞(Hg)、鎵(Ga)系合金等。鎵系合金因其低熔點(diǎn)、低揮發(fā)性、高導(dǎo)電性、高導(dǎo)熱性，已在柔性電子器件方面擁有不少應(yīng)用[4-7]?！邦A(yù)制件-熱拉伸”法是從光纖制造領(lǐng)域遷移到紡織領(lǐng)域的纖維制造新方法，具有獨(dú)特的制備優(yōu)勢(shì)，尤其適用于多材料纖維的制備[8-11]。本文以SEBS和液態(tài)金屬為材料，采用“預(yù)制件-熱拉伸”法制備了液態(tài)金屬超彈纖維應(yīng)變傳感器，并研究、探討其各項(xiàng)性能。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

SEBS原料(分子量80～120 kDa)購(gòu)自中國(guó)石化巴陵石化公司；液態(tài)金屬(熔點(diǎn)為5 ℃的鎵銦錫合金)購(gòu)自佳純金屬有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

纖維拉絲塔(定制)，掃描電子顯微鏡(S-8100，日本日立公司)，萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)(Instron5967，美國(guó)Instron公司)，數(shù)字萬(wàn)用電表(DMM6500，Tektronix泰克科技有限公司)，拉伸循環(huán)平臺(tái)(自搭建)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 纖維預(yù)制件的制備

本實(shí)驗(yàn)所采用的方法為模壓法制備預(yù)制件，具體步驟如下。

第一步：將SEBS原料置于真空干燥箱中，在70 ℃的溫度下，真空干燥20 h，去除原料中的水分，防止后續(xù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)多氣泡。

第二步：稱取70 g的SEBS原料，將其加到特制的模具中，并將模具放到平板硫化機(jī)兩塊加熱板中間，設(shè)定上下加熱板溫度為200 ℃，壓力為10 MPa，保持30 min。而后將模具取下，并冷卻、脫模。得到實(shí)心的SEBS預(yù)制棒。預(yù)制棒尺寸為25 mm×25 mm×150 mm。

第三步：對(duì)預(yù)制棒進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)加工。利用鉆床在預(yù)制棒截面鉆出一個(gè)直徑為6 mm的通道，再用針管將液態(tài)金屬灌注到預(yù)制棒的通道內(nèi)。

1.3.2 預(yù)制件熱拉伸過(guò)程

將預(yù)制件置于特制的拉絲塔加熱爐內(nèi)，設(shè)置加熱爐上、中、下三溫區(qū)溫度，分別為140、205、80 ℃。經(jīng)過(guò)30 min預(yù)熱軟化后，預(yù)制件向下拉動(dòng)，使中溫區(qū)的預(yù)制件局部產(chǎn)生頸縮。預(yù)制件經(jīng)上溫區(qū)預(yù)熱、中溫區(qū)頸縮、下溫區(qū)退火冷卻后，最終變成纖維。此時(shí)將纖維固定到卷繞軸上，同時(shí)開(kāi)啟預(yù)制件自動(dòng)喂入及纖維自動(dòng)收卷程序。設(shè)定喂入速度為1 mm/min，收卷速度為360 mm/min。流程示意圖如圖1所示。

圖1 制備流程示意圖

1.3.3 液態(tài)金屬超彈纖維傳感器的制備

將直徑為80 μm的銅導(dǎo)線插入纖維兩端的液態(tài)金屬通道，然后用樹(shù)脂將纖維兩端的液態(tài)金屬通道口封裝起來(lái)，防止在使用中，液態(tài)金屬泄露導(dǎo)致傳感器失靈。

1.4 測(cè)試與表征

1.4.1 纖維形貌表征

用刀片切取纖維截面，經(jīng)噴金工藝處理后，在掃描電子顯微鏡下觀察纖維的截面形貌。

1.4.2 機(jī)械性能表征

在Instron萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行機(jī)械性能測(cè)試，試樣長(zhǎng)度為100 mm，拉伸速率為100 mm/min。

1.4.3 電學(xué)性能測(cè)試

將液態(tài)金屬超彈纖維傳感器夾在拉伸循環(huán)測(cè)試平臺(tái)的夾具上，夾持距離為50 mm，以一定速度進(jìn)行拉伸、往復(fù)運(yùn)動(dòng)。用數(shù)字萬(wàn)用表記錄拉伸過(guò)程中纖維的電阻值。

2 結(jié)果與討論

2.1 纖維形貌分析

圖2為帶有液態(tài)金屬通道的SEBS超彈纖維的形貌照片，左側(cè)照片(a)顯示的是帶有一個(gè)液態(tài)金屬通道的纖維卷繞在收集盤和手上的數(shù)碼照片，顯示了纖維很好的柔性，在手掌和收集盤上表現(xiàn)出良好的彎曲性能；右側(cè)照片(b)是其纖維截面的SEM圖像，纖維截面保持了預(yù)制件的結(jié)構(gòu)，且液態(tài)金屬通道并未坍塌。

(a) (b)

2.2 纖維傳感器的機(jī)械性能分析

圖3為本文制備的超彈纖維的機(jī)械性能表征，其中a曲線為實(shí)心纖維的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，b曲線為帶有液態(tài)金屬通道纖維的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，兩種纖維具有相同的直徑。由圖可見(jiàn)，該超彈纖維具有極好的機(jī)械性能，拉伸應(yīng)變可達(dá)600%以上，斷裂應(yīng)力達(dá)4 MPa以上。帶有液態(tài)金屬通道的纖維較實(shí)心纖維，其應(yīng)力-應(yīng)變略有下降，主要是因?yàn)橐簯B(tài)金屬通道的存在可看作纖維截面的缺陷，故影響了纖維的機(jī)械性能，但其仍保持在一個(gè)較高的水平。

a、b分別為實(shí)心纖維和帶有液態(tài)金屬通道的纖維

圖4為含有液態(tài)金屬通道的SEBS纖維在0%～250%應(yīng)變范圍內(nèi)50次拉伸回復(fù)循環(huán)曲線。測(cè)試結(jié)果表明，該纖維在50個(gè)拉伸回復(fù)循環(huán)中保持了較好的機(jī)械性能，經(jīng)過(guò)50個(gè)循環(huán)后，應(yīng)力僅下降約10%，且應(yīng)力下降的過(guò)程主要集中在前10次循環(huán)。10次循環(huán)以后，拉伸應(yīng)力趨于穩(wěn)定，該現(xiàn)象應(yīng)為纖維內(nèi)大分子鏈取向造成，而非纖維機(jī)械疲勞導(dǎo)致。每次拉伸循環(huán)纖維都很好地保持了應(yīng)有的機(jī)械性能，且纖維的伸長(zhǎng)及回復(fù)過(guò)程高度相似。因此，該纖維十分適合制作高效、耐用的應(yīng)力-應(yīng)變傳感器。

圖4 超彈纖維機(jī)械性能循環(huán)測(cè)試

2.3 纖維傳感器的傳感性能分析

液態(tài)金屬超彈纖維傳感器的傳感機(jī)理主要運(yùn)用了纖維在變形的過(guò)程中，液態(tài)金屬通道形狀隨之產(chǎn)生變化，導(dǎo)致其整體電阻發(fā)生變化的原理。通過(guò)電阻的變化，即可推算出纖維所受的應(yīng)變。纖維受到拉伸后變長(zhǎng)，導(dǎo)致液態(tài)金屬通道變長(zhǎng)。長(zhǎng)度方向的伸長(zhǎng)導(dǎo)致纖維截面的收縮，從而使液態(tài)金屬通道變窄。導(dǎo)體的電阻與其長(zhǎng)度成正相關(guān)，與其截面積成反相關(guān)。故纖維受拉力后變窄變長(zhǎng)，導(dǎo)致液態(tài)金屬通道變窄變長(zhǎng)，從而致使其電阻上升。

圖5為纖維傳感器電阻隨應(yīng)變變化的測(cè)試結(jié)果及線性擬合結(jié)果，其中黑色圓點(diǎn)為實(shí)際測(cè)量結(jié)果，直線為擬合結(jié)果。觀察圖像發(fā)現(xiàn)在0%～250%的應(yīng)變范圍內(nèi)，傳感器的應(yīng)變與電阻的曲線成正相關(guān)，線性擬合的擬合度較高，確定系數(shù)R2達(dá)到0.993 25。在此應(yīng)變范圍內(nèi)，該纖維傳感器可近似看作為線性的應(yīng)變-電阻傳感器。

圖5 拉伸應(yīng)變-電阻曲線

圖6顯示的是傳感器的電阻與纖維拉伸應(yīng)變的測(cè)試結(jié)果，在5個(gè)循環(huán)內(nèi)，電阻對(duì)拉伸應(yīng)變表現(xiàn)出良好的依賴性和及時(shí)性?？梢?jiàn)該液態(tài)金屬超彈纖維傳感器擁有十分優(yōu)秀的快速響應(yīng)特性，同時(shí)也顯示了纖維與液態(tài)金屬間良好的機(jī)械匹配性。此外我們對(duì)纖維進(jìn)行了1 000次0%～250%應(yīng)變變形的拉伸回復(fù)循環(huán)，記錄其電阻變化，以展示傳感器的耐用性，結(jié)果如圖7所示。可見(jiàn)纖維在1 000次循環(huán)中，比電阻變化均保持在一個(gè)非常穩(wěn)定的范圍之內(nèi)，顯示了液態(tài)金屬超彈纖維作為應(yīng)變傳感器出色的穩(wěn)定性和可靠性。

圖6 傳感器的應(yīng)變-電阻依賴性測(cè)試結(jié)果

圖7 1 000次循環(huán)測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)論

本文通過(guò)“預(yù)制件-熱拉伸”法以液態(tài)金屬和SEBS橡膠為原料，制備了一種液態(tài)金屬超彈纖維，并將其制成應(yīng)變傳感器。該纖維傳感器具有良好的機(jī)械性能，斷裂應(yīng)力及斷裂應(yīng)變分別可達(dá)4 MPa和700%，該傳感器在0%～250%應(yīng)變范圍內(nèi)呈現(xiàn)出線性傳感特性，且對(duì)刺激表現(xiàn)出高度敏感。此外，該傳感器在耐用性測(cè)試中表現(xiàn)出極佳的穩(wěn)定性，是制作柔性電子可穿戴設(shè)備的理想材料，具有廣泛的應(yīng)用前景。