（纺织材料与纺织品设计专业论文）导电纤维纺织结构的应变传感性能研究.pdf

浙江理t 人学硕十学位论文 导电纤维纺织结构的应变传感性能研究 摘要 论文首先对当前用于智能材料的应变传感器的研究现状进行了分析，论述了本文研究 的目的与意义，指出论文的创新点、重点和难点以及主要研究的内容。 针对工程材料上在高温下进行大应变的传感要求，本文采用了耐高温的两种导电纤维 不锈钢纤维和碳纤维作为实验材料，设计一种能够适合大应变的经编纺织结构，探索其 电阻与应变之间的关系和规律。 通过实验表明，在轴向拉伸和恢复过程中，不锈钢纤维纱经编纺织结构的电阻随应变 增加而减小，随应变的恢复而增大，在拉伸恢复时存在一定的塑性变形，电阻对应变的响 应在一定的应变范围内呈线性变化。将不锈钢纤维纱经编纺织结构在1 0 m m m i n 速度下分 别拉伸至最大应变为1 0 、2 0 、3 0 ，其应变电阻响应灵敏度在最大应变为3 0 0 , o 时最高， 在不同的拉伸速度下，不锈钢纤维纱经编纺织结构电阻的灵敏度随拉伸速度增加而增大， 当速度大于2 5 m m m i n 时，灵敏度的变化趋于平缓。 碳纤维纱经编纺织结构的电阻也是随应变的增大而减小，随应变的恢复而增大，速度 和最大应变对电阻的影响同不锈钢纤维经编纺织结构一样，但是和不锈钢纤维经编结构相 比较，碳纤维纱纺织结构拉伸恢复后产生的塑性变形较小，在拉伸恢复循环内和多次拉伸 恢复循环间的电阻响应的重演性比不锈钢纤维纱纺织结构好。 通过电子显微镜( s e m ) 对不锈钢纤维和碳纤维表面形貌的观察，碳纤维纱表面相对 较光滑，同时对两种纤维的摩擦系数进行测定，表明碳纤维动静摩擦系数较小，产生的塑 性变形小，所以其纺织结构拉伸后恢复状态较不锈钢纤维纱的好，因此碳纤维纱纺织结构 电阻对应变响应的重演性要优于不锈钢纤维纱纺织结构。 为了探明不锈钢纤维纱和碳纤维纱纺织结构电阻对应变响应的机理，本文将经编纺织 结构的单个线圈分解进行分析和模拟，把单位线圈看作由2 个相同的接触部分电阻r c 和2 个与长度有关电阻r 1 1 和r 1 2 组成，实验表明r l l 和r l z 的电阻随应变的增加而增大，随应 变的恢复而减小，但是这部分电阻变化的灵敏度很小；接触部分电阻r c 随应变的增加而 减小，电阻变化的灵敏度大大高于线段变化部分，这说明经编纺织结构的电阻变化主要是 线圈中的接触部分电阻的变化引起，而长度部分电阻变化的影响很小。 关键字：导电纤维：不锈钢纤维；碳纤维；经编纺织结构；应变；电阻；灵敏度；重演性。 浙江理工人学硕 j 学位论义 a s t u d yo nt h es e n s i t i v i t yo ff a b r i cs t r u c t u r em a d eb ye l e c t r i cf i b e r a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，t h es t u d ys i t u a t i o no fs t r a i ns e n s o rm a d eo fs m a r tm a t e r i a l ，a n dt h e nt h e p u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c eo ft h et h e s i sw e r ed e s c r i b e d ；a l s o ，t h ei n n o v a t i o np o i n t ，e m p h a s i s ， d i f f i c u l t ya n dk e yp o i n ta sw e l la st h em a i lr e s e a r c hc o n t e n tw e r ei n t r o d u c e d t h es t a i n l e s ss t e e l ( s s ) y a ma n dc a r b o ny a r nk n i t t e ds t r u c t u r ew a sd e s i g n e df o rs o l v i n gt h e d i f f i c u l tp r o b l e mo fl a r g es t r a i nm e a s u r e m e n tu n d e rh i g ht e m p e r a t u r e i th a sb e e nf o u n dt h a tt h e r e s i s t a n c eo fs sa n dc a r b o nk n i t t e ds t r u c t u r ew e r ea f f e c t e db ys t r a i n t h er e s u l t ss h o w e dt h a ti nt h ep r o c e s s i n go fe l o n g a t i o na n dr e c o v e r y , t h er e s i s t a n c eo fs s y a r nk n i t t e ds t r u c t u r ed e c r e a s ea st h es t r a i ni n c r e a s e s ，a n di n c r e a s e sw i t ht h er e c o v e ro f t h es t r a i n a f t e ro n ec y c l eo fe l o n g a t i o na n dr e c o v e r y , t h ek n i t t e ds t r u c t u r ee x i s t sp l a s t i cd e f o r m a t i o n e x c e p t i n gt h ep a r to fp l a s t i cd e f o r m a t i o n ，r e s i s t a n c eh a sal i n e rr e l a t i o n s h i pw i t hs t r a i n s sy a r n k n i t t e ds t r u c t u r ei se l o n g a t e dt ot h e l0 ，2 0 ，3 0 ，o fs t r a i na ts p e e do f10 m m m i n ，w h e nt h e s t r a i ni s3 0 ，t h es e n s i t i v i t yi st h eh i g h e s t w h e ns sy a mk n i t t e ds t r u c t u r ei se l o n g a t e dt ot h e 3 0 o fs t r a i na td i f f e r e n ts p e e d ，t h es e n s i t i v i t yo fk n i t t e ds t r u c t u r ei n c r e a s e sa st h es p e e d i n c r e a s e s w h e nt h e ns p e e di sm o r et h a n2 5 m m m i n ，t h em a x i m u ms e n s i t i v i t yc h a n g e ss l o w l y c a r b o ny a r nk n i t t e ds t r u c t u r ea l s od e c r e a s ea st h es t r a i ni n c r e a s e s ，a n di n c r e a s e sw i t ht h e r e c o v e ro ft h es t r a i n ，b u t ，c o m p a r ew i t hs sy a ma n dc a r b o ny a mk n i t t e ds t r u c t u r e ，c a r b o ny a m k n i t t e ds t r u c t u r eh a sas m a l l e rp l a s t i cd e f o r m a t i o nt h e ns sy a mk n i t t e ds t r u c t u r ea n dt h e r e p e a t a b i l i t yi sb e t t e rt h a ns sy a mk n i t t e ds t r u c t u r e t h es u r f a c eo fc a r b o nf i b e ri sm o r es l i p p e r yt h a nt h es sf i b e rb ys e m ，s ow em e a s u r e dt h e f r i c t i o no fs sf i b e ra n dc a r b o nf i b e rb yf i b e rf r i c t i o nt e s t e r i ti sn o t a b l et h a tt h es t a t i cf r i c t i o n a n dd y n a m i cf r i c t i o no fc a r b o nf i b e ra r eb o t hl o w e rt h a nt h a to fs sf i b e r , a n dc a r b o nf i b e rh a sa p r o p e r t yo fl u b r i c a t i o n ，s oc a r b o ny a mk n i t t e ds t r u c t u r ec a n r e c o v e rb a s i c a l l ya f t e re l o n g a t i o n s ot h er e p e a t a b i l i t yo fc a r b o ny a mk n i t t e ds t r u c t u r ei sb e t t e rt h a ns sy a r nk n i t t e ds t r u c t u r e w ea n a l y z e ds i n g l el o o pt ok n o wt h er e s p o n s i b i l i t yo fr e s i s t a n c e - s t a i no fc a r b o ny a r n k n i t t e ds t r u c t u r ea n ds sy a r nk n i t t e ds t r u c t u r em o r ec l e a r l y o n es i n g l el o o pi sd i v i d e di n t ot w o s a m ec o n t a c tr e s i s t a n c er ca n dt w ol o n gr e s i s t a n c er ha n dr h w ec a nk n o wt h er e s i s t a n c eo f r ha n dr 1 2i n c r e a s e sa st h ei n c r e a s eo fs t r a i na n dd e c r e a s e sw i t ht h er e c o v e r yo fs t r a i n ，a n dt h e 浙江理t 人学硕 ：学位论文 s e n s i t i v i t yi sl o w b u tt h er e s i s t a n c eo fr ed e c r e a s e sw i t hi n c r e a s eo fs t r a i na n di n c r e a s ew i t ht h e r e c o v e r yo ft h es t r a i na n dt h es e n s i t i v i t yi sh i g h e r t h er e s u l t ss h o wt h ec h a n g eo fr e s i s t a n c eo f k n i t t e ds t r u c t u r ei sa f f e c t e db yc o n t a c tr e s i s t a n c em a i n l y k e y w o r d s ：c o n d u c t i v ef i b e r ；s t a i n l e s ss t e e lf i b e r ；c a r b o nf i b e r ；k n i t t e ds t r u c t u r e ；s t r a i n ； r e s i s t a n c e ；s e n s i t i v i t y ；r e p e a t a b i l i t y 浙江理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师 的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰 写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 名 一 签 ； 耆作 姗 1 论 ： 位 期 学 日 浙江理工大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权浙江理工 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 年解密后使用本版权书。 指导教师签名：删 吼1 年；月_ 7 日 多多戆 名 签年 营 作1 文力 论 ： 位期学日 浙江理l ：人学硕 学位论文 第一章绪论 过去几十年中，世界纺织品的格局发生了巨大的变化，以传统纺织服装为主的传统产 业j 下在慢慢地消失风采【1 1 ，纺织品的功能已经不局限于传统纺织品服用和产业用，随着新 型材料的开发和应用，纺织品不仅具有了更加多姿多彩的外观，其内在功能也日益强化。 新型智能纤维是近些年来迅速发展、极富生命力的高技术功能纤维，它们不仅能够提高服 装的舒适感，而且具有高附加值和高效益，智能纤维的出现使纺织服装业逐渐不服智能型 纺织品时代，对于正在走下坡路的传统纺织服装行业来说是个新的机遇也是新的挑战【2 1 。 近年来，智能材料及其纺织品已经引起人们越来越多的关注，成为纺织工业的未来【3 1 。 1 1 智能材料与智能纺织品 1 1 1 智能材料 1 9 8 9 年日本将信息科学融于材料构造和功能中，首先提出了智能材料( i n t e l l i g e n t m a t e r i a l ) 的概念，在美国将这一类的材料称为机敏材料( s m a r tm a t e r i a l ) 。智能材料的 构想来源于仿生，它的目标就是想研制出一种材料，使它成为具有类似于生物的各种功能 的“活”的材料h 1 。因此智能材料必须具备感知、驱动和控制这三个基本要素n 3 。 具体来说智能材料具备以下内涵： ( 1 ) 具有感知功能，能够检测并且可以识别外界( 或者内部) 的刺激强度，如电、光、 热、应力、应变、化学、核辐射等等畸吲； ( 2 ) 具有驱动功能，能够响应外界变化盯3 ； ( 3 ) 能够按照设定的方式选择和控制响应； ( 4 ) 反应比较灵敏、及时和恰当； ( 5 )当外部刺激消除后，能够迅速恢复到原始状态。 但是现有的材料一般比较单一，难以满足智能材料的要求，所以智能材料一般由两种 或两种以上的材料复合构成一个智能材料系统。设计智能材料的两个指导思想是材料的多 功能复合和材料的仿生设计，所以智能材料系统具有或部分具有如下的智能功能和生命特 征： ( 1 ) 传感功能( s e n s o r ) ：能够感知外界或自身所处的环境条件，如负载、应力、应变、 振动、热、光、磁、化学、核辐射等； ( 2 ) 反馈功能( f e e d b a c k ) ：可以通过传感网络，对系统输入和输出信息进行比对，并 将其结果提供给控制系统； ( 3 ) 信息识别与积累功能：能够识别传感网络得到的各类信息并将其积累起来。 1 浙江理丁人学硕i ：学位论文 ( 4 ) 响应功能：能够根据外界环境和内部条件变化，适时动态地作出相应的反应，并采 取必要行动。 ( 5 )自诊断能力( s e l f d i a g n o s i s ) ：能通过分析比较系统目前的状况与过去的情况， 对诸如系统故障与判断失误等问题进行自诊断并予以校正。 ( 6 )自修复能力( s e l f r e c o v e r y ) ：能通过自繁殖、自生长、原位复合等再生机制， 来修补某些局部损伤或破坏。 ( 7 )自调节能力( s e l f a d j u s t i n g ) ：对不断变化的外部环境和条件，能及时地自动调 整自身结构和功能，并相应地改变自己的状态和行为，从而使材料系统始终以一种 优化方式对外界变化作出恰如其分的响应。 一般来说智能材料由基体材料、敏感材料、驱动材料和信息处理器四部分构成。 ( 1 ) 基体材料担负着承载的作用，一般宜选用轻质材料。一般基体材料首选高分子材料， 因为其重量轻、耐腐蚀，尤其具有粘弹性的非线性特征。其次也可选用金属材料，以轻质 有色合金为主。 ( 2 ) 敏感材料担负着传感的任务，其主要作用是感知环境变化( 包括压力、应力、温度、 电磁场、p h 值等) 。常用敏感材料如形状记忆材料、压电材料、光纤材料、磁致伸缩材料、 电致变色材料、电流变体、磁流变体和液晶材料等。 ( 3 ) 因为在一定条件下驱动材料可产生较大的应变和应力，所以驱动材料担负着响应和 控制的任务。常用有效驱动材料如形状记忆材料、压电材料、电流变体和磁致伸缩材料等。 可以看出，这些材料既是驱动材料又是敏感材料，显然起到了身兼二职的作用，这也是智 能材料设计时可采用的一种思路。 ( 4 ) 其它功能材料：包括导电材料、磁性材料、光纤和半导体材料等。 智能材料的分类方法也有多种，般按功能来分可以分为光导纤维、形状记忆合金、 压电、电流变体和电( 磁) 致伸缩材料等。若按来源来分，智能材料可以分为金属智能材 料、无机非金属智能材料和高分子智能材料。目前研究开发的金属智能材料主要有形状记 忆合金和形状记忆复合材料两大类；无机非金属智能材料在电流变体、压电陶瓷、光致变 色和电致变色材料等方面发展较快；高分子智能材料的范围很广泛，作为智能材料的刺激 响应性高分子凝胶的研究和丌发非常活跃，其次还有智能高分子膜材、智能高分子粘合剂、 智能型药物释放体系和智能高分子基复合材料等。 1 1 2 智能纺织品 智能纺织品比一般的机织物和针织物具备更多的功能。智能纺织品的一般原理是感知 2 浙江理t 人学硕i ：学位论文 材料、执行材料和信息传输材料有机地复合或集成载体。 智能纺织品根据其对外界变化的反应方式分为：消极智能纺织品、积极智能纺织品和 高级智能纺织品协删。消极智能纺织品仅能感知外界环境的变化或刺激；积极智能纺织品 具有感知外界环境变化和刺激并作出反应的能力；高级智能纺织品除了感知、反应，并能 自我调节，以适应外界环境的变化或刺激。 ( 1 ) 消极智能纺织品：光纤和导电纤维及其织物广泛使用于消极智能纺织品制造， 对温度、压力、气体或液体，以及p h 值敏感的纺织品已经研究、制造和应用。如光敏变 色纺织品，热敏变色纺织品，等。 ( 2 ) 积极智能纺织品：在积极智能纺织品中，形状记忆纺织品对于防护服的形状性 能、冷热压力、抵抗性能是非常重要的。形状记忆是指具有某一原始形状的制品，经过形 变并定形后，在特定的外界条件下能自动恢复到初始形状的现象。自从1 9 8 4 年法国c d f c h i m i e 公司成功开发首例具有形状记忆功能的降解冰片稀以来，形状记忆聚合物的研究得 到了很大的发展n 羽。 ( 3 ) 高级智能纺织品：如卫生保健服，在服装的外接触面可以监控温度，并记录环 境特征；其内接触面可以检测穿着者的生理状态。通过测量这些特征分析穿着者运动后的 状况，给出运动持续时间和运动量强烈程度的建议n 3 j 。 将智能材料融入到纺织品中，使纺织品具有更多的新的功能。随着人们对服装高档化 要求的日益增强和对功能性整理织物要求的提高，开发新型的智能纺织品将有良好的发展 前途和广阔的应用前景。 1 2 传感器及其传感性能 传感器( t r a n s d u c e r s e n s o r ) 是一种物理装置，能够探测、感受外界的信号、 物理条件( 如光、热、湿度) 或化学组成( 如烟雾) ，并将探知的信息传递给其他装置。 根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器二大类；按照其制造工艺，可 以将传感器区分为：集成传感器、薄膜传感器、厚膜传感器、陶瓷传感器。 具有感知能力也是智能纺织品的一个重要方面，这就需要一个传感装置，使智能纺织 品具有感知的能力。纺织结构复合材料是以纺织预制件为增强材料的先进复合材料，已广 泛应用于航空、航天、舰船、原子能、交通、机械、建筑等工业领域【1 4 。5 1 。然而复合材料 结构在成形和使用过程中常常会在高温f 受到大应变的作用，产生一定的损伤，这就要求 使用检测传感技术来阻止一些重大损伤，因而需要一种传感器，既能承受高温又能对大应 变进行测量，从而对复合材料的选择有一一个指导作用【1 6 】。但是参阅了大量的文献【1 7 之4 】之后， 浙江理t 人学顾l ：学位论文 发现目前在高温下进行大应变的测量尚未有报道。大多数的织物传感设备使用导电聚合材 料，这种材料的耐酸碱能力比较差，受湿度影响比较大，并且不能忍受较高温度，这样便 限制了这些设备在高温下和潮湿或者化学环境中的使用。有些石英光纤应变传感器可以被 用来在高温下工作，但是应变的范围却很小【2 5 】。设计一种可以解决这两种要求的新的应变 ， 传感器是十分必要的。 导电纤维用来作为这类传感器的材料已经有比较深入的研究。最早导电纤维是金属类 导电纤维，主要有不锈钢丝、铜丝、铝丝等，或者用金属喷涂纤维表面形成导电涂层，使 纤维具有导电性能( 2 6 1 。 本文采用比利时产不锈钢纤维纱和日本产的碳纤维纱这两种导电纤维作为传感装置 的材料，因为这两种导电纤维能够抵抗高温。不锈钢纤维纱有较好的导电性能，直径小( 1 2 微米) ；碳纤维纱具有良好的导电性能，大拉伸模量。设计一种用这两种导电纤维编织成 的针织物结构，使它在断裂前能产生较大变形，这就符合了既要耐高温又要承受大变形的 要求。这种针织结构的传感原理是根据织物对应变温度而引起电阻的变化进行感应。本 文分析了这两种导电纤维纱经编纺织结构电阻对应变的响应关系，并对相对电阻对应变的 灵敏度，线性度，重演性等关键因素作了深入分析。从实际应用来看，本研究所设计的导 电纤维纺织结构作为电阻应变传感装置具有一定的实用价值与应用前景。 1 3 国内外发展动态及研究现状 在国内，由香港理工大学的x mt a 0 教授带领科研小组已经研究出了用不锈钢纤维纱 和碳纤维纱编织的纬平管状针织物在应变和温度变化时电阻的响应关系，得出维平管状织 物电阻对应变的响应比较明显，灵敏度大，而且酸碱等化学环境对其基本没有影响，因此 环境的适应性强【2 7 1 。天津工业大学的郭兴峰，马平丽，袁杰等人设计了一种立体织物的结 构，将电阻应变丝铺入织物中，对织物施加一定的压力，织物的电阻也有比较明显的变化 2 8 1 o 近几年随着导电高聚物材料的发展，出现了许多导电高聚物材料应用与应变传感器的 报道，浙江大学的y l i t 2 9 1 ，香港理工大学的x u e p f 3 0 1 等，他们将导电聚吡咯( p p y ) 覆盖 于织物之上，做成了一个柔性的应变传感器。关于p p y 的应用在国外也有相关报道，包括 j a e w o o kr y u 3 1 1 以及k e i i e h ik a l l e t o 【3 2 】等人也有在这方面的研究，通过他们的试验表明由p p y 做成的应变传感器具有高应变和较高的稳定性，能够作为织物和传感只用，但是这种应变 传感器不能够在高温情况下应用，也影响了它的使用范围。 这种应变电阻的传感仪器最早是由l o r dk e l v i n 在1 8 5 6 年发明的，发展到现在，智能 4 浙江理工大学硕 j 学位论文 纺织品在实际中也已经有较多的实际应用。 新西兰的一家z e p h y r 公司发明了一种织物，将这种织物穿在身上后，它会开始收集 人体的心跳、体温、身体姿势、动作和呼吸频率等信息，用这种织物制成的服装可应用在 运动员和军人身上。这种纺织品的奇妙之处是把传感装置编入织物的内部，将它与电子装 置连接，可以存储和传递数据，这样它就能记录人体的生理学信息【3 3 1 。 在英国，由西门子提供资金技术支持的英国公司e l e k s e n 开发了一种全新的技术：将 电子传感器与纺织品完美结合【3 4 1 。这意味着，电子元件可以直接融入衣物或者玩具，它包 括电子导电性尼龙层，绝缘材料层，当外部被施加压力，传感器可感觉这种变动，精确地 确定压力的大小和受压力的位置。这种智能织物是导电纤维和常规纺织品的组合。 英国s o f t s w i t c h 生产了用于商业的服装键盘。s o f t s w i t c h 织物可以与任何类型的电 阻元件直接接触，在无压力作用时是绝缘体，在某一压力点处电阻开始减小，直至织物获 得类似金属的电导率，例如用指端压力可以使电阻从几十亿欧姆减小到小于一欧姆。这种 织物可以用于玩具、智能服装表面及计算机表面等【3 5 1 。 1 4 论文研究的主要内容 本研究使用不锈钢纤维纱和碳纤维纱这两种导电纤维，设计一种经编针织结构，对其 应变与电阻响应关系进行研究，拟解决高温下的大应变测量问题，主要研究内容如下： 1 不锈钢纱纺织结构和碳纤维纱纺织结构电阻对应变的响应关系。通过对不锈钢纱纺织 结构和碳纤维纱纺织结构在一定的拉伸速度下电阻对应变的响应关系进行测量，基于得到 的实验数据，分析不同的最大拉伸应变和不同的拉伸速度对不锈钢纱纺织结构和碳纤维纱 纺织结构电阻对应变响应的影响，并进一步探讨了其电阻对应变的灵敏度、线性性和重演 性。 3 用s e m 观察两种纤维纱的外部形貌，测量不锈钢纤维纱和碳纤维纱的静摩擦系数和不 同速度下的动摩擦系数，探寻不锈钢纱纺织结构和碳纤维纱纺织结构电阻对应变响应关系 灵敏度，重演性不同的原因。 4 对纺织结构单个线圈进行分析，将单位线圈看作由2 个相同的接触电阻r c 和2 个与长 度有关电阻r 1 1 和r 1 2 组成。测量接触电阻和长度电阻对应变的响应的关系；并对单个线圈 各线段在拉伸恢复时的长度变化定性地测量，得出线圈各线段对电阻随应变变化的具体贡 献。 1 - 5 论文的创新点、重点、难点 1 5 1 创新点 浙江理工大学硕i ：学位论义 用耐高温的不锈钢纱和碳纤维纱设计一种经编纺织结构，利用导电纤维纱纺织结构的 弹性来达到大应变的能力，拟解决高温下大应变的传感测量问题。 1 5 2 重点 用不锈钢金属纤维纱和碳纤维纱设计一种合理经编针织纺织结构，能够对承受大应 变，产生电阻与应变的响应，并分析其灵敏度，线性性和重演性等。 1 5 3 难点 如何有效地提高纺织结构应变传感的灵敏度、线性性和重演性，以及纺织结构传感机 理的探讨为本文的难点。 6 浙江理i 学域l 一学位论z 第二章不锈钢纤维纱纺织结构电阻对应变的响应 2 1 引言 不锈钢纤维具有强度高、耐高温、导电性能好、稳定性好、抗腐蚀能力强和良好的屏 蔽、防磁、防辐射等优点，而被广泛应用于航空、石油、化工、军工等领域，发展日u 景f 分广阔3 “i 。在本章中，我们用不锈钢纤维纱编织成经编纺织结构，探讨不锈钢纤维纱纺 织结构电阻随应变变化的规律，并且对电阻应变的灵敏度、重演性和线性性作深入分析， 进而考察不锈钢纤维纱纺织结构作为应变传感器的可行性。 2 2 试样 22 1 不锈钢纤维 本文所选用的不锈钢纱线是由比利时b e k a e r t 公司制造，具体规格如下表所示。 表2 i 不锈钢纤维规格 指标 数值 纤维亢径 股数 每股根数 捻度 捻向 线密度 杨氏模量e 破坏麻变 破坏鹰力 1 2 “m 2 5 0 1 e x ( g 10 0 0 ) 4 ) 44 7 x 1 0 ”p a l3 辨 6 1 65 2 ( n 咖2 ) 通过e d s 分析测得不锈钢纤维的主要组成元素为6 70 2 f c ，2 19 0 c r 20 7 n 图2i 不锈钢纤维e d s 成分测试 渐江理t 大学硪l 学位论立 2 2 2 不锈钢纤维纱经编纺织结构 不锈钢纱经编纺织结构1 4 1 4 3 ，试样长度为5 c m ，由钩针手工制作，如图22 所示。不锈 钢纤维纺织结构初始电阻为69 欧姆，拉伸断裂应变为3 5 。 围22 不锈钢纤维纱经编纺织结构5 c m 试样 2 3 实验方法 231 实验仪器和实验装置【删 实验拉伸使用日本岛津a g l 电子强力仪，电阻测量使用h g i l e n t3 4 4 0 1 a 数字万用表。 田2 3 实验装置实物田 日本岛津a g - 1 电子强力仪 图24 实验装置示意图 浙江理t 大学硕f j 学位论文 2 3 2 实验方法 将试样放在电子强力仪上按照一定的速度拉伸至一定应变，同时用数字万用表记录 电阻的变化，分析电阻与应变的响应情况。 2 4 结果与讨论 2 4 1 不锈钢纤维纱经编纺织结构的线圈宽度对电阻的影响 用宽度为3 5 m m 和2 m e 的不锈钢纤维纱经编纺织结构，在速度为l o m m m i n 时拉伸 至最大应变为3 0 ，拉伸恢复循环5 次，观察电阻对时间的响应，如图2 5 和2 6 所示。 o 苫 。 鬲 童 疗 翌 ，_ 、 毡 d 每 苗 蛊 暑 图2 53 5 m m 宽经编纺织结构线圈时间电阻响应 2 0 00 06 0 0 t i m e ( s ) 图2 62 m m 宽经编纺织结构线圈时间电阻响应 从图2 5 和2 6 可以看出不锈钢纱经编纺织结构在拉伸速度为l o m m m i n 拉伸至最大 应变为3 0 时，拉伸恢复一个循环所用的时间是1 8 0 秒，不锈钢纱经编纺织结构随着拉伸 9 浙江理工人学硕l j 学位沦义 应变增大，电阻减小，而随着应变的恢复电阻也不断增加。3 5 m m 宽度的不锈钢纱经编纺 织结构随着循环次数的增加电阻变化呈上升趋势，循环间电阻变化的重演性差，而2 m m 宽 度的不锈钢纱经编纺织结构在随着循环次数的增加，电阻的变化趋势基本一致，循环间电 阻变化的重演性比较好，所以下面的实验全部选用2 m m 宽度的经编纺织结构。 2 4 2 相同速度下不同最大拉伸应变不锈钢纱纺织结构电阻对应变的响应 将5 c m 长的不锈钢纱经编纺织结构试样在电子强力仪上以l o m m m i n 的速度拉伸至最 大应变分别为2 0 和3 0 ，然后以相同的速度恢复，作为1 个循环，连续拉伸恢复5 个循 环，分析最大拉伸应变不同时，电阻与时间的关系，如图2 7 和2 8 所示。 01 0 0 1 2 02 0 0 3 0 04 0 05 0 06 0 0 t i m e ( s ) 图2 7 不锈钢纤维纱纺织结构l o 衄m i n 拉伸2 0 应变的时间电阻响应 l o 浙江理工人学硕l ：学位论文 7 5 7 0 6 5 6 o 5 5 ，、5 0 c ；4 5 o 4 0 基3 5 = 3 0 2 5 o h 2 0 1 5 1 0 o5 o 0 t i m e ( s ) 图2 8 不锈钢纤维纱纺织结构在速度l o m m m i n 拉伸至最大应变3 0 的时间电阻响应 从图2 7 和2 8 中可以看出，一个循环内不锈钢纱纺织结构的电阻随拉伸应变的增加 而减小，随应变的恢复而增大。观察第一循环结束和第二循环开始之间的阶段，即图2 7 和2 8 中标出的1 的部分，电阻与应变之间有一个小的类似拉伸恢复循环变化，这是因为 在第一个循环应变恢复阶段的最后，纺织结构不能完全恢复到最初的形态，而是产生了一 部分的塑性变形，在第二循环的拉伸开始阶段，纺织结构要先恢复前一循环产生的塑性变 形，电阻才能随着应变呈相应规律变化。比较图2 7 和图2 8 的五个循环，可以看出，随 着循环次数的增加，拉伸至最大应变为2 0 时，纺织结构的电阻呈上升趋势，而拉伸至最 大应变为3 0 时，纺织结构的电阻变化比较平缓，循环间的电阻重演性好。观察图2 7 和 图2 8 第一循环的起始点和结束点发现电阻值相差的比较大，这是因为不锈钢纤维纱纺织 结构在受到第一次拉伸恢复时有个顺应的过程，在变形恢复的时候产生了塑性变形，纺织 结构的变形无法恢复到原始的状态，导致电阻相差较大，故第一个循环不作为应变传感器 的研究范围，从第二个循环开始研究电阻对应变的响应关系。下面实验所得的电阻对应变 响应关系图都是取5 个循环中的第二个循环作为研究对象的。 图2 9 、图2 1 0 和图2 1 1 分别是5 c m 长不锈钢纤维纱纺织结构在相同速度为l o m m m i n 分别拉伸至1 0 应变、2 0 应变和3 0 应变然后以相同速度恢复的相对电阻一应变的响应情 况，并对拉伸和恢复的曲线的线性性，灵敏度进行分析。 浙江理t 人学硕i ：学位论文 三击o 母 = 6 5 h 7 o - 7 5 o2 2 8 9 4681 0 s t r a i n ( ) 图2 9 不锈钢纤维纱纺织结构速度为l o m m m i n 拉伸1 0 应变的时间电阻响应 邑8 o4 2 3 2 51 01 52 0 s t r a i n ( ) 图2 1 0 不锈钢纤维纱纺织结构速度为l o m m m i n 拉伸2 0 应变的时间电阻响应 1 2 5 0 5 o 5 0 5 之 o 4 4 巧 与一誉一ooc墨ish 加 ： ! 小 舶 m 锄 ooc母p“州p【o- 扛目t 太学蛐1 学位论立 图21 1 不锈钢纤维纱纺织结构速度为l t l m a m i n 拉伸3 傩应变的时间电阻响应 图29 图2 儿中标出的l 的部分就是图27 和图28 中的l 的产生塑性变形的部分， 可以看出不锈钢纱经编纺织结构拉伸至最大变形为1 0 、2 0 9 6 和3 0 9 6 时，塑性变形量分别为 28 9 、42 3 2 和l l2 ，除去塑性变形的部分，不锈钢纱纺织结构拉伸恢复时，在一定的 应变范围内，相对电阻和应变呈线性关系， 图2 9 是不锈钢纱经编纺织结构拉伸至最大应变为l o 再恢复应变，拉仲应变范围为 28 9 78 9 时相对电阻对应变呈线性变化，表示为y = 一0 4 5 9 c 一26 4 7 ，恢复应变范围 为41 1 3 82 8 5 时，相对电阻对应变的线性关系为y = 一0 4 4 i 一1 5 4 1 。 图21 0 是不锈钢纱经编纺织结构拉伸至最大应变为2 0 9 6 后恢复应变，拉仲时应变范围 为7 5 6 4 1 52 3 2 ，相对电阻对应变的线性响应关系为y = _ o 7 8 9 c 一12 0 7 ；恢复时应变 为1 0 1 1 4 17 1 4 6 ，相对电阻对应变线性关系为y = 一07 5 l c 一0 2 4 7 5 4 。 图2 1 l 是不锈钢纱经编纺织结构拉伸至最大应变为3 0 后饿复应变，拉伸时应变范围 为1 2 6 5 1 2 7 6 6 4 ，相对电阻对应变的线性响应关系为y 1 6 3 c 7 8 1 ；恢复时应变 为1 6 4 8 0 2 4 5 4 4 ，相对电阻对应变的线性关系为r = 一1 3 8 5 e 一49 4 0 5 。 不同拉伸戍变时，不锈钢纤维纱纺织结构相对电阻的灵敏度也不同。 灵敏度：丰对电阻应变 浙江理t 人学硕士学位论文 表2 2 不锈钢纱纺织结构在最大拉伸应变不同时拉伸和恢复时的相对电阻灵敏度 从表2 2 看出，不锈钢纱纺织结构拉伸时相对电阻的灵敏度大于恢复时的灵敏度，而 且不锈钢纱纺织结构相对电阻的灵敏度随着最大拉伸应变量的增加而增大。 2 4 3 不同速度下相同拉伸应变不锈钢纱纺织结构电阻对应变的响应 由2 4 2 实验结果可知在速度为l o m m m i n ，拉伸至最大应变3 0 的时，不锈钢纤维纺 织结构拉伸恢复时线性变化的应变范围大，相对电阻的灵敏度高，所以为了得到不同速度 对不锈钢纤维纱纺织结构相对电阻对应变响应关系的影响，我们选用在不同速度下拉伸至 相同应变即最大应变为3 0 时相对电阻对应变的响应，选用的速度分别为5 m m m i n ， l o m m m i n ，1 5 m m m i n ，2 0 m m m i n ，2 5 m m m i n ，3 0 m m m i n ，3 5 m m m i n ，4 0 m m m i n ，4 5 m m m i n 和5 0 m m m i n 【4 5 】如图2 1 2 图2 2 1 所示。 o 21 6 82 02 22 42 62 83 0匏 s t r a i n ( ) 图2 1 2 不锈钢纤维纱纺织结构速度5 r a m r a i n 拉伸至最大应变3 0 电阻对应变的响应 4 1 2 81 8 2 0 笠 2 4 2 83 03 2 s t r a i n ( ) 图2 1 3 不锈钢纤维纱纺织结构速度l o , m m i n 拉伸至最大应变3 0 电阻对应变的响应 竹 俘 笛 笃 惦 一术一ou仁毋isise一lb一 岱 搴 氆 m 舶 勋 ：8 斯 (一8cel篙ile芭 m 江理t 大学硕学位论文 | i 襄| ；| | 蓑 | ；| | 1 惑、| i | | 茛。 | 訇襄| 喜装 图21 8 不锈钢纤维纱纺织结构3 5 m m i n 拉伸至最大应变3 0 电阻对应变的响应 图21 9 不锈钢纤维纱纺织结构哪，m l n 拉伸至最大应变30 9 l 电阻对应变的响应 浙江理i 大学碰学位论立 图2 2 0 不锈钢纤维纺织结构4 5 m r a i n 拉伸至最大应变3 0 电阻对应变的响应 图22 l 不锈钢纤维纺织结构5 0 r e r a i n 拉伸至最丈应变3 0 5 电阻对应变的响应 图21 2 图22 1 表示不锈钢纤维纱纺织结构在不同速度下拉伸至最大应变为3 0 时 相对电阻对应变的关系，图中表示的是除去一个拉伸恢复循环中产生的塑性变形部分后， 相对电阻对应变的响应关系，可以看出，相对电阻随应变增加而减小，随应变的恢复而增 大。当应变在一定范围内时，不锈钢纱纺织结构相对电阻对应变呈线性变化关系，如下表 22 所示： 表22 不同速度不锈钢纱经编纺织结构相对电阻对应变响应的线性变化范围 不同的速度下不锈钢纤维纱纺织结构拉伸至相同的应变3 0 9 6 产生的塑性变形为i 1 1 0 2 1 3 2 2 6 ，除去塑性变形的部分，拉伸至最大应变为3 0 时，随着拉伸速度的增大，灵敏 度也有所增加拉伸阶段相对电阻对应变的灵敏度从i6 0 2 e 增大至2 0 2 0 e ，恢复阶段 从1 5 5 5 增大至20 5 3 ，但是在速度为2 5 衄m i n 以后，不锈钢纤维纱纺织结构的灵敏度基 本为20 5 0 左右说明速度在2 5 n n m i n 以上时对不锈钢纱纺织结构相对电阻的灵敏度影 响不大。 蒌一 摹慕一 溪一 m m * * * 一tvll 新江理t 上学顿t 学位论文 244 速度对不锈铜纱纺织结构循环问电阻对应变响应的影响 为了得到速度对不锈钢纤维纱纺织结构循环间的影响，我们选用在不同速度下拉伸至 相同应变即最大应变为3 0 后再恢复应变，连续循环5 次，由2 41 已经知道第一个循环 不适合作为研究对象，所以选用第二至第四个拉伸恢复循环来研究。选用的速度分别为 5 1 i l l n m i n 1 0 m m m j n ，1 5 m m i i n ，2 0 m m i n ，3 0 i i l i n m i n ，4 0 m m m i n 和5 0 m m m i n 如图22 2 图22 8 所示 圈22 2 不锈铜纤维纱纺织结构5 岫m i n 四次循环相对电阻对应变响应 图22 3 不锈钢纤维纱纺织结构l o 衄m i n 四次循环相对电阻对应变响应 图22 4 不锈铜纤维纺织结构1 5 m m m i n 四次循环相对电阻对应变响应 图2 2 5 不锈钢纤维纺织结构2 0 皿m i n 四次循环相对电阻对应变响应 ；enlje 浙江i 大学碰学位论文 圈2 2 8 不锈钢纤维纱纺织结构5 0 皿i u 四扶循环相对电阻对应变响应 从图2 2 2 2 2 8 中可以看出，随着循环次数的增加，不锈钢纤维纱纺织结构的相对电 阻存在向上趋势的一定漂移各个循环间相对电阻具体漂移值如表2 3 所示。 前后两个循环相对电阻漂移值= 后一循环的平均相对电阻一前一循环的平均相对电阻 浙江理丁人学硕1 ：学位论文 表2 3 不锈钢纤维纱纺织结构不同速度下循环问相对电阻的漂移值 从表2 3 可以看出随着拉伸速度的增加，不锈钢纱纺织结构四次循环间的相对电阻 漂移逐渐减少，纺织结构相对电阻对应变响应的重演性逐渐变好。随着循环次数的增加， 第四循环与第五循环问的相对电阻漂移小于第三循环与第四循环间的相对电阻漂移，而第 三循环与第四循环间的相对电阻