石墨烯紡織品的特點精選(九篇)

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第1篇：石墨烯紡織品的特點范文

1壓阻式傳感器根據(jù)電阻效應產(chǎn)生方式，壓阻式傳感器可分為兩類:一類是材料自身的電阻隨壓力(或力)變化，另一類是兩相鄰表面(或稱電極)間的界面接觸電阻隨壓力變化。

1．1材料電阻具有自身電阻的材料有導電纖維/紗、導電高聚物(如導電油墨、導電液)或碳納米管復合材料、導電聚合物［如聚苯胺(PANI)、聚吡咯(PPy)、聚噻吩(PTh)和聚乙炔］涂層織物等。利用導電纖維的壓阻效應，Huang等［3］以壓阻纖維(碳涂層纖維)和滌綸/彈力纖維混紡紗經(jīng)包纏工藝制備紗線傳感器，可監(jiān)測呼吸信號，其應變敏感系數(shù)為4～17。研究發(fā)現(xiàn)，受壓時在包覆纖維和芯紗間出現(xiàn)滑移，電阻和應變間不是線性關系，可能為二次函數(shù)關系，而捻度大小對傳感性能沒有顯著影響。相對而言，雙層包纏導電紗的皮芯纖維間滑移量比單層包纏紗小，電阻—壓力關系的線性度更高。Mattmann等［4］利用變電阻彈力導電線［熱塑性橡膠填充50%(質(zhì)量分數(shù))炭黑粉末，直徑0．3mm，應變100%］縫制嵌入普通針織服裝中測量上肢姿勢，應變敏感系數(shù)約為40。顯然，傳感器性能依賴于導電涂層或壓阻纖維材料的性能，通常動態(tài)測量范圍小、重復性差、不耐洗、不耐折疊、制備過程復雜。最近，F(xiàn)an等［5］以原位化學氧化聚合法在PU纖維表面沉積PANI聚合物，制備的導電纖維傳導率最高達0．001/(Ω•cm)，壓阻應變高達1500%，在0%～1500%應變范圍內(nèi)平均應變敏感系數(shù)(電阻率與應變率之比)為3。Husain等［6］討論了織入金屬線的針織結(jié)構(gòu)溫度傳感器，比較了傳感器的電阻、溫度敏感系數(shù)和響應時間在銅、鎢、鎳和鉑4種金屬絲之間的差異，結(jié)果顯示，基于鎢或鎳線制作的溫度傳感器具有更大的名義電阻和敏感度。導電復合材料是一類用于開發(fā)織物結(jié)構(gòu)壓阻傳感器的材料，如導電填料顆粒物和彈性黏合劑(如硅橡膠)混合導電橡膠(也稱量子隧道復合物，QuantumTunnellingComposite，QTC)［7］、吡咯改性聚氨酯導電泡沫［8］等活性復合材料的體積電阻(或彈性電阻，Elastoresistance)，經(jīng)涂層工藝沉積到紗線或織物表面。以導電復合物涂層紡織品所制備的傳感器類似于商業(yè)化柔性應變片，測量承受拉伸應力時的應變，可應用于姿勢、運動狀態(tài)監(jiān)測［9-11］或生理信號檢測［12］。Paradiso等把導電硅橡膠紋印至織物表面，研制了傳感手套監(jiān)測手的活動，應變敏感系數(shù)約2．8，應變—電阻曲線經(jīng)指數(shù)修正后滿足線性關系［12］。Dunne等以變電阻泡沫開發(fā)出紡織傳感器，測量上臂位置［13］。他們研究發(fā)現(xiàn)，導電泡沫等彈性電阻引起的滯后性阻止了上肢位置的準確測量，且響應速度慢，僅可區(qū)分4個位置。這些材料也可用作紡織觸控開關材料，如商業(yè)化Softswitch和Eleksen紡織結(jié)構(gòu)傳感器。Softswitch直接將傳感元件集成到服裝中，為涂有彈性電阻復合物的導電織物，通過復合材料受壓電阻減小來測量壓力［7］。類似的方法有，導電聚合物膜或油墨以絲網(wǎng)印刷工藝沉積，形成圖樣化特征。還有一些紡織結(jié)構(gòu)傳感器利用了純碳納米管(CNT)的壓阻行為。納米管屈曲增加了相互連接程度，降低了電阻，這種材料的優(yōu)勢是超級可壓縮、可恢復和彈性模量高。Laxminarayana等采用靜電紡工藝制備了聚合物/CNT非織造復合網(wǎng)［14］，采用PZT激勵懸臂梁振動法測試相應傳感器的敏感性，發(fā)現(xiàn)應變感應能力隨CNT質(zhì)量分數(shù)的增加而提高，且比P(VDF-TrFE)基靜電紡納米網(wǎng)性能好。此外，多壁碳納米管也可嵌入PDMS、PMMA等聚合物中，制備纖維溫度傳感器［15］，或采用絲網(wǎng)印制方法將碳納米管分散液轉(zhuǎn)移至紡織品表面，形成對壓力非常敏感的柔性皮膚［16］。

1．2接觸電阻接觸電阻即相鄰導電纖維間或交織導電紗線間的接觸電阻，當紡織結(jié)構(gòu)材料受拉伸、壓縮等機械作用時，接觸面積發(fā)生變化而改變系統(tǒng)電阻。導電纖維或紗線要么為金屬纖維/紗，要么為在紗線、織物表面沉積或浸漬聚吡咯(PPy)、聚苯胺等導電聚合物。Wu等［17］研究了導電聚合物PPy涂層萊卡織物的應變—電阻關系，應變敏感系數(shù)約25。研究發(fā)現(xiàn)，尼龍萊卡織物涂層PPy在空氣中易氧化分解，表面電阻穩(wěn)定性差，放置54d后表面電阻增加10倍，而在干燥器中同樣時間后增加不足2倍。Tsang等［18-19］以化學氣相沉積(CVD)絲網(wǎng)印制法制備PPy涂層導電織物［基質(zhì)為尼龍66/萊卡(85/15)平紋針織物］，發(fā)現(xiàn)化學氣相沉積法能形成薄而密集、均勻分布的PPy涂層織物，在50%應變下的應變敏感系數(shù)超過400，且在低溫(－25℃)條件下聚合比在室溫下能顯著提高織物傳感器的導電性、應變敏感性和環(huán)境穩(wěn)定性，并把這歸因于低溫CVD工藝能在織物表面沉積更薄、更有序的PPy膜。Zhang等［20］采用鉤針手編制備了一種在高溫環(huán)境中工作的應變傳感繩，在超過400℃環(huán)境下可測量達40%的平面拉伸或垂直于平面的壓縮應變，傳感源于接觸紗線間的接觸電阻，單位長度內(nèi)接觸點的多少決定了傳感器的靈敏度、可重復性、滯后性、線性度和應變范圍。同樣，Qureshi等［21］以導電紗為基礎研制了針織拉伸傳感器用于監(jiān)測呼吸信號，并比較了4類電阻不同的紗線和4種針織組織(平紋提花、羅紋、雙羅紋和長浮線)為工藝參數(shù)兩兩組合下的信號強弱，發(fā)現(xiàn)高電阻紗不適合制備呼吸信號傳感器，而浮線結(jié)構(gòu)和雙羅紋結(jié)構(gòu)最適合。Kannaian等［22］用銀涂層聚酰胺紗制備電活性帶狀機織物傳感器，其中經(jīng)紗為滌綸橡膠線、緯紗為滌綸紗，在織帶中心沿經(jīng)向織入4～8根涂銀聚酰胺導電紗。研究發(fā)現(xiàn)，導電紗根數(shù)、緯密和滌綸橡膠比會影響應變敏感系數(shù)，拉伸應變敏感系數(shù)為0．02～0．60。王金鳳等［23］以4種涂銀紗緯編針織物用作拉伸傳感器，發(fā)現(xiàn)靈敏度按豎條紋雙羅紋針織物、橫條紋雙羅紋針織物、涂銀緯紗針織物順序依次減小，且緯平針織物的敏感系數(shù)不隨織物寬度變化，但彈力緯平針織物的敏感度受寬度影響。Gibbs等［24］以導電纖維固定到彈力織物中制備拉伸敏感型傳感器，輔以Kalman濾波連續(xù)測量單軸或多軸關節(jié)活動。Guo等［25］為了比較不同拉伸敏感型紡織傳感器的敏感性、線性度、穩(wěn)定性和滯后性，以4種彈力或非彈力織物和2種導電材料制備傳感器:聚氨酯/萊卡平紋交織物或滌綸平紋織物為基質(zhì)，炭黑填充硅橡膠為涂層材料;棉(95%)/萊卡(5%)機織物或純棉平紋機織物為基質(zhì)，滌綸/Bekintex短纖/不銹鋼絲混紡紗為導電材料。研究結(jié)果顯示，電阻式紡織結(jié)構(gòu)傳感器性能與導電材料和織物基材關系密切，相對而言，非彈力織物傳感器的滯后性誤差比彈力織物小。最近，Zhang等［26］基于接觸電阻傳感原理，研制了縫編織物結(jié)構(gòu)壓力場測繪傳感器，如圖1所示。在該傳感器中，2組正交接觸的導電紗系統(tǒng)形成分布的接觸電阻陣列，不需要在織物表面貼附任何其他傳感元件，且導電金屬紗同時作為傳感單元和導線。作用于織物表面的壓力大小和位置通過在2組刺繡紗線系統(tǒng)間的電阻變化及位置來確定。并且，電阻—壓力曲線呈現(xiàn)兩階非線性模式，在地壓力區(qū)接觸電阻不穩(wěn)定，當在2組導電紗線接觸點表面涂層后，傳感器的敏感性和穩(wěn)定性增加。這種在一種柔性基質(zhì)上的行和另一種基質(zhì)上的列形成的傳感器可大大減少導線數(shù)量，減小紡織品本身服用性能的損失。把輸出電壓送入其他列中消除雜散電流，避免串擾。相對于連續(xù)層而言，利用圖樣化導電層的優(yōu)點是避免同一平面內(nèi)行間傳導。另一種方法則利用系統(tǒng)電阻隨幾何構(gòu)型變化而變化的原理。例如，在覆蓋膜下依次層放導電液、陣列電極和膜基層，施加電壓于液體表面并測量相鄰電極間電壓，獲得電阻，電阻大小取決于相關電極間膜的壓入量。GPSoftMess柔性壓力坐墊為織物封裝獨立箔電阻的陣列式壓力傳感器，每片傳感陣列由4096個傳感單元組成。以上研究表明，接觸電阻式紡織結(jié)構(gòu)傳感器的性能與織物形貌、紗線及織物結(jié)構(gòu)有關。

2壓容式傳感器

壓容式傳感器的測量原理為兩平行極板間的電容隨壓力變化而變化，如圖2所示。電容傳感器通?？煞浅蚀_地測量小位移，屬于靜態(tài)應變傳感器，帶寬高。這種傳感器一般以導電織物等柔性材料為電容極板，以諸如泡沫、間隔織物、橡膠等彈性材料為間隔層，輔助完成從壓力到位移的轉(zhuǎn)換，因此電容板間的彈性材料性能控制傳感器性能。基于同樣原理，如果把一層金屬紗(線)等導電條鋪放在彈性體兩側(cè)，相互垂直，則可制備陣列傳感器。當傳感器用于壓力測試時，相交叉的一根傳輸線與一根感應線間電容傳感單元被觸發(fā);同時，其他傳輸線和感應線為地電勢，可減小串擾。Wijesiriwardang等［27］以炭黑填充或金屬填充橡膠導電混合物、PPy導電聚合物為材料，彈性纖維為基質(zhì)，開發(fā)了電容式針織結(jié)構(gòu)生物電極，測量ECG信號，或用于開關鍵盤。同樣，Holleczek以PCCR(PrioprietaryClosedCellResin)材料為間隔層、涂銀織物為電容極板開發(fā)了壓力傳感器，內(nèi)置于滑雪鞋和縫貼于襪表面，用于監(jiān)測滑雪者訓練姿勢［28］。最近，Eriksson等［29］以一次成型構(gòu)建了三維多層織物結(jié)構(gòu)電容傳感器，該方法可減少手工制作織物電容器的工序，但他尚未評價該傳感器的性能。壓力繪制傳感陣列也可基于電容傳感原理制備，它們已用于醫(yī)用襪、輪椅墊或床墊監(jiān)測壓力場，也可直接集成到內(nèi)衣中。這種傳感器是在可壓縮間隔層兩側(cè)垂直相交的導電條交叉點形成電容。Sergio等［30］以彈性介電織物為間隔層，在兩側(cè)正交平行排列兩組導電紗形成電容陣列，傳感器原型為:傳感單元間距為8mm的24×16陣列，輸入電容動態(tài)范圍為100fF～10pF。他們以機織、刺繡、印制焊接和導電油墨4種分布導電紗的方法制備壓力繪制傳感陣列，并比較分析了4種工藝在難易程度和成本方面的差異。Sergio等還提出了內(nèi)嵌芯片于間隔層，形成感應電容變化的完整集成電路［31］。第一個原型的空間分辨率低(每個傳感單元10cm×10cm)［32］，且沒有考慮寄生電容，諸如滯后性和漂移引起的非線性都沒有補償。電容傳感器易受電磁干擾，在傳感器表面增加一層導電層可屏蔽電容單元。Meyer等［33］將分辨率提高至2cm×2cm，以Preisach模型補償滯后性后，在0～10N/cm2壓力范圍內(nèi)平均誤差小于4%。分別裝配8、16、30或240個感應單元制備壓力傳感陣列，如圖3所示。填充6mm厚的間隔織物，在加壓前后其電容分別為3．5pF(無載荷)和5．8pF(壓力5N/cm2)。如果相鄰活動電極單元不接地，在這些單元和連線間與已商業(yè)化壓力場傳感器相比(表2)，紡織結(jié)構(gòu)壓力場傳感器性能已接近或超過商業(yè)化產(chǎn)品，但大多數(shù)商業(yè)化壓力場傳感器不僅價格高，且聯(lián)合紡織品使用時需要改變系統(tǒng)，幾乎不可能不影響穿戴舒適性，比如失去紡織品的透氣性、柔韌性和可機洗性。但商業(yè)化或正在研制的壓力傳感陣列滯后性達19%，漂移量為4%～20%，需要進一步深入研究以改善傳感器性能。有機場效應晶體管(OrganicField-EffectTransistors)由于在大面積、柔性化和低成本有源矩陣顯示、射頻標簽及傳感器等方面的潛在應用前景而備受學術界和工業(yè)界關注，并取得了長足的發(fā)展。相對于無機場效應晶體管器件，有機場效應晶體管具有低成本和柔韌性的獨特優(yōu)勢。例如，并五苯(Pentacene)［35］和有機場效應材料［36］涂覆在長絲纖維表面，可制備纖維基晶體管。Bonfilio等采用這種材料制備了紡織紗線晶體管，可用作邏輯元件或傳感器元件［37］。他們發(fā)現(xiàn)，紡織晶體管的轉(zhuǎn)換函數(shù)不僅與紗線主要性能有關，還依賴于紗線形貌，這是因為紗線間的電接觸與紗線的電阻和電容響應依賴于紗線拓撲形貌。但是，有機場效應晶體管器件還存在著夾斷電壓較高、閾值電壓難于控制等缺點。雖然電極材料對場效應器件性能有很大影響，但這方面的研究較少。最近，以碳納米管及石墨烯等碳材料作為晶體管的源漏電極得到廣泛研究，它們具有電導率高、穩(wěn)定性好的特點，且與有機半導體材料具有更好的相容性和匹配性?？紤]到實際應用，如能采用低成本的溶液法制備類似的碳導電材料將更為理想。

3壓電式傳感器

諸如石英、極化陶瓷、壓電高聚物等材料在外力作用下能生成電荷，但目前以紡織結(jié)構(gòu)實現(xiàn)傳感功能的材料主要為聚偏二氟乙烯(PVDF)，采用靜電紡等工藝制備β相PVDF納米纖維網(wǎng)傳感器。Yoon等［38］比較分析了不同質(zhì)量分數(shù)的CaCl2和多壁碳納米管(MWCNT)混紡納米網(wǎng)的壓電性能，發(fā)現(xiàn)增加兩者任一成分都有助于提高壓電效應，相對而言，添加MWCNT產(chǎn)生的效果更好。Wang等［39］發(fā)現(xiàn)，純PVDF納米纖維網(wǎng)在3～5N范圍內(nèi)，壓電敏感系數(shù)在11．25～42mV/N之間波動，且與載荷作用頻率有關，但在低頻時傳感器的重復性較好。理論上，壓電傳感器的靈敏度與每單位質(zhì)量膜的表面積成正比，而靜電紡納米纖維膜的比表面積比通用膜大得多(約1000m2/g)，用在傳感器方面可大大提高其靈敏度。此外，納米纖維網(wǎng)傳感器能無縫對接到服裝中，在提供足夠的生理信號監(jiān)控能力的同時，不會增加冷熱或生理壓力。但是，壓電傳感器是一種動態(tài)應力傳感器，主要局限是缺乏直流測量，電信號一般按毫秒級衰減，已報道的最好截止帶寬達0．1Hz［39］。此外，PVDF壓電傳感器對溫度或熱電敏感，因體溫相對恒定，這一缺陷對體內(nèi)用壓力傳感器不會造成顯著影響。4其他傳感器電阻或電容傳感器性能受材料(或結(jié)構(gòu))力學滯后性和電滯后性影響，與電線或相關傳感器相比，光纖不僅不生熱，而且對電磁輻射不敏感，不受放電現(xiàn)象影響?；诠饫w光柵或微彎原理，即改變光在光纖中的傳播來測量刺激作用強度，已開發(fā)出幾種紡織傳感器［40-41］。早期工作已有詳盡報道［40］，近年來一些改性光纖已用于開發(fā)紡織結(jié)構(gòu)傳感器。Rothmaier等［41］將自制柔性硅塑料光纖以刺繡或機織紋樣方式織入普通織物，研制了檢測血氧飽和度的光子紡織品傳感器，發(fā)現(xiàn)織物結(jié)構(gòu)對光傳播效率影響顯著，刺繡樣品的光耦合效率總體上比機織樣品低。他們還將自制柔性硅塑料光纖沿經(jīng)向和緯向織入不同結(jié)構(gòu)的機織物中制備2×2型壓力傳感陣列［42］，當壓力擠壓光纖時改變或阻隔光傳播量，以光衰減量表征壓力大小。該傳感器在0～20N范圍內(nèi)壓力響應關系呈現(xiàn)明顯的非線性，且非線性度隨纖維直徑增加而減小，漂移量約0．6%。除了以導電織物結(jié)構(gòu)的電阻和電容變化開發(fā)傳感器外，Wigesiriwardana等采用導電線圈的電感原理，利用管狀纖維網(wǎng)三維變化引起自感變化研制管狀導電纖維網(wǎng)應變及位移傳感器，可監(jiān)測呼吸或運動位置信息［27，43］。也有學者把硅等柔性人工皮膚直接縫接到紡織品表面，使紡織品具有傳感和計算功能［44］。