石墨烯紡織品的特點(diǎn)精選(九篇)

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第1篇：石墨烯紡織品的特點(diǎn)范文

1壓阻式傳感器根據(jù)電阻效應(yīng)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(dǎo)電纖維/紗、導(dǎo)電高聚物(如導(dǎo)電油墨、導(dǎo)電液)或碳納米管復(fù)合材料、導(dǎo)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(dǎo)電纖維的壓阻效應(yīng)，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(yīng)變敏感系數(shù)為4～17。研究發(fā)現(xiàn)，受壓時(shí)在包覆纖維和芯紗間出現(xiàn)滑移，電阻和應(yīng)變間不是線性關(guān)系，可能為二次函數(shù)關(guān)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(dǎo)電紗的皮芯纖維間滑移量比單層包纏紗小，電阻—壓力關(guān)系的線性度更高。Mattmann等［4］利用變電阻彈力導(dǎo)電線［熱塑性橡膠填充50%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))炭黑粉末，直徑0．3mm，應(yīng)變100%］縫制嵌入普通針織服裝中測量上肢姿勢，應(yīng)變敏感系數(shù)約為40。顯然，傳感器性能依賴于導(dǎo)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(fù)性差、不耐洗、不耐折疊、制備過程復(fù)雜。最近，F(xiàn)an等［5］以原位化學(xué)氧化聚合法在PU纖維表面沉積PANI聚合物，制備的導(dǎo)電纖維傳導(dǎo)率最高達(dá)0．001/(Ω•cm)，壓阻應(yīng)變高達(dá)1500%，在0%～1500%應(yīng)變范圍內(nèi)平均應(yīng)變敏感系數(shù)(電阻率與應(yīng)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(yīng)時(shí)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(dǎo)電復(fù)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(dǎo)電填料顆粒物和彈性黏合劑(如硅橡膠)混合導(dǎo)電橡膠(也稱量子隧道復(fù)合物，QuantumTunnellingComposite，QTC)［7］、吡咯改性聚氨酯導(dǎo)電泡沫［8］等活性復(fù)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(dǎo)電復(fù)合物涂層紡織品所制備的傳感器類似于商業(yè)化柔性應(yīng)變片，測量承受拉伸應(yīng)力時(shí)的應(yīng)變，可應(yīng)用于姿勢、運(yùn)動狀態(tài)監(jiān)測［9-11］或生理信號檢測［12］。Paradiso等把導(dǎo)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(yīng)變敏感系數(shù)約2．8，應(yīng)變—電阻曲線經(jīng)指數(shù)修正后滿足線性關(guān)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(dǎo)電泡沫等彈性電阻引起的滯后性阻止了上肢位置的準(zhǔn)確測量，且響應(yīng)速度慢，僅可區(qū)分4個(gè)位置。這些材料也可用作紡織觸控開關(guān)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(fù)合物的導(dǎo)電織物，通過復(fù)合材料受壓電阻減小來測量壓力［7］。類似的方法有，導(dǎo)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(fù)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(fù)合網(wǎng)［14］，采用PZT激勵懸臂梁振動法測試相應(yīng)傳感器的敏感性，發(fā)現(xiàn)應(yīng)變感應(yīng)能力隨CNT質(zhì)量分?jǐn)?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(dǎo)電纖維間或交織導(dǎo)電紗線間的接觸電阻，當(dāng)紡織結(jié)構(gòu)材料受拉伸、壓縮等機(jī)械作用時(shí)，接觸面積發(fā)生變化而改變系統(tǒng)電阻。導(dǎo)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(dǎo)電聚合物。Wu等［17］研究了導(dǎo)電聚合物PPy涂層萊卡織物的應(yīng)變—電阻關(guān)系，應(yīng)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(shí)間后增加不足2倍。Tsang等［18-19］以化學(xué)氣相沉積(CVD)絲網(wǎng)印制法制備PPy涂層導(dǎo)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(xué)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(yīng)變下的應(yīng)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(dǎo)電性、應(yīng)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(yīng)變傳感繩，在超過400℃環(huán)境下可測量達(dá)40%的平面拉伸或垂直于平面的壓縮應(yīng)變，傳感源于接觸紗線間的接觸電阻，單位長度內(nèi)接觸點(diǎn)的多少決定了傳感器的靈敏度、可重復(fù)性、滯后性、線性度和應(yīng)變范圍。同樣，Qureshi等［21］以導(dǎo)電紗為基礎(chǔ)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(qiáng)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(jī)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(dǎo)電紗。研究發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)電紗根數(shù)、緯密和滌綸橡膠比會影響應(yīng)變敏感系數(shù)，拉伸應(yīng)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(dǎo)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(guān)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(dǎo)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(jī)織物或純棉平紋機(jī)織物為基質(zhì)，滌綸/Bekintex短纖/不銹鋼絲混紡紗為導(dǎo)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(dǎo)電材料和織物基材關(guān)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(dǎo)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(dǎo)電金屬紗同時(shí)作為傳感單元和導(dǎo)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(dāng)在2組導(dǎo)電紗線接觸點(diǎn)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(dǎo)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?dāng)_。相對于連續(xù)層而言，利用圖樣化導(dǎo)電層的優(yōu)點(diǎn)是避免同一平面內(nèi)行間傳導(dǎo)。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(dǎo)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(guān)電極間膜的壓入量。GPSoftMess柔性壓力坐墊為織物封裝獨(dú)立箔電阻的陣列式壓力傳感器，每片傳感陣列由4096個(gè)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(guān)。

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。電容傳感器通常可非常準(zhǔn)確地測量小位移，屬于靜態(tài)應(yīng)變傳感器，帶寬高。這種傳感器一般以導(dǎo)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?；谕瑯釉恚绻岩粚咏饘偌?線)等導(dǎo)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(dāng)傳感器用于壓力測試時(shí)，相交叉的一根傳輸線與一根感應(yīng)線間電容傳感單元被觸發(fā);同時(shí)，其他傳輸線和感應(yīng)線為地電勢，可減小串?dāng)_。Wijesiriwardang等［27］以炭黑填充或金屬填充橡膠導(dǎo)電混合物、PPy導(dǎo)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(guān)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(xùn)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(jià)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(dǎo)電條交叉點(diǎn)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(dǎo)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(jī)織、刺繡、印制焊接和導(dǎo)電油墨4種分布導(dǎo)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(yīng)電容變化的完整集成電路［31］。第一個(gè)原型的空間分辨率低(每個(gè)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(bǔ)償。電容傳感器易受電磁干擾，在傳感器表面增加一層導(dǎo)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(bǔ)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(gè)感應(yīng)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(jià)格高，且聯(lián)合紡織品使用時(shí)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(jī)洗性。但商業(yè)化或正在研制的壓力傳感陣列滯后性達(dá)19%，漂移量為4%～20%，需要進(jìn)一步深入研究以改善傳感器性能。有機(jī)場效應(yīng)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(biāo)簽及傳感器等方面的潛在應(yīng)用前景而備受學(xué)術(shù)界和工業(yè)界關(guān)注，并取得了長足的發(fā)展。相對于無機(jī)場效應(yīng)晶體管器件，有機(jī)場效應(yīng)晶體管具有低成本和柔韌性的獨(dú)特優(yōu)勢。例如，并五苯(Pentacene)［35］和有機(jī)場效應(yīng)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(guān)，還依賴于紗線形貌，這是因?yàn)榧喚€間的電接觸與紗線的電阻和電容響應(yīng)依賴于紗線拓?fù)湫蚊?。但是，有機(jī)場效應(yīng)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(diǎn)。雖然電極材料對場效應(yīng)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(dǎo)率高、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，且與有機(jī)半導(dǎo)體材料具有更好的相容性和匹配性?？紤]到實(shí)際應(yīng)用，如能采用低成本的溶液法制備類似的碳導(dǎo)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(shí)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?jǐn)?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(yīng)，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(guān)，但在低頻時(shí)傳感器的重復(fù)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(shí)，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(yīng)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(bào)道的最好截止帶寬達(dá)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(xué)滯后性和電滯后性影響，與電線或相關(guān)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(qiáng)度，已開發(fā)出幾種紡織傳感器［40-41］。早期工作已有詳盡報(bào)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(jī)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(jī)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(jī)織物中制備2×2型壓力傳感陣列［42］，當(dāng)壓力擠壓光纖時(shí)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(yīng)關(guān)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)電纖維網(wǎng)應(yīng)變及位移傳感器，可監(jiān)測呼吸或運(yùn)動位置信息［27，43］。也有學(xué)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(jì)算功能［44］。