（材料加工工程专业论文）导电纤维纺织结构温度应变传感性能的研究.pdf

浙江理工大学硕+ 学位论文 导电纤维纺织结构温度应变传感性能的研究 摘要 针对工程材料上高温下大应变传感的要求，本文采用耐高温的导电纤维为原料，设计 了一种纺织结构。论文主要分为三部分：第一部分是研究导电纤维纺织结构的电路网络模 型。第二部分是研究碳纤维纱及其织物的电阻与温度的关系。第三部分是研究一定温度下 碳纤维纱织物电阻对应变的响应、温度和应变同时变化下碳纤维纱织物电阻的变化情况和 温度应变可同时测量的碳纤维纱织物。 本论文首先对智能纤维和智能纺织品及其国内外发展现状进行了分析，论述了本文研 究的目的与意义，指出论文的主要研究内容与创新点、重点、难点和关键点。 为了研究不锈钢纤维纱和碳纤维纱织物电阻对应变响应的机理，本文首先对经编纺织 结构中单个线圈进行分析和模拟，把单个线圈看作是两个与长度相关的电阻r i 、r 2 和一个 接触电阻组成的电路，分析其在拉伸力作用下线圈中弧长的变化情况。其次，模拟织物 的网络电路，列出织物等效电阻的计算方程，由于所要求解的方程比较复杂，利用 m a t a l a b 语言计算方程，得出不锈钢纤维纱和碳纤维纱纺织结构的等效电阻与实验所测 得的织物电阻的变化情况基本相同，这说明织物应变的传感机理主要是由应变变化过程中 纱线间的接触电阻变化引起的。 针对高温下大应变传感的要求，将碳纤维纱编织成单经编织物，研究碳纤维纱织物电 阻与温度的关系。通过实验发现碳纤维纱电阻随温度的增加而线性减小，碳纤维纱织物电 阻随温度的增加而减小，且在一定范围内成线性关系。碳纤维纱织物电阻随温度变化的机 理主要是纱线间接触电阻变化引起织物电阻的变化。通过一系列实验和分析，证明了碳纤 维纱织物结构是可以用来进行高温传感测量。 探索了碳纤维纱织物电阻随温度和应变同时变化时的响应，首先将碳纤维纱织物在一 定温度下拉伸至不同的最大应变，随着温度的增加不同拉伸回复循环的电阻差异相应的减 小，不同温度下拉伸至不同最大应变的碳纤维纱织物重演性较好。其次研究温度和应变同 时变化下碳纤维纱织物电阻的响应情况，得出一个循环中碳纤维纱织物随温度和应变的增 加而减小，温度和应变同时变化下的碳纤维纱织物的重演性随着循环次数的增加而变好， 并可以采用温度补偿技术来实现温度和应变同时测量的碳纤维纱织物。 关键词：不锈钢纤维纱织物；碳纤维纱织物；电阻：温度；应变 浙江理工大学硕士学位论文 a s t u d yo nt h es e n s i t i v i t yo fc o n d u c t i n gf i b e rt e m p e r a t u r e s t r a i n s e n s l n gb a s e do nt e x t i l es t r u c t u r e a b s t r a c t t h ec o n d u c t i n gf i b e rb a s e do nt e x t i l es t i u c 眦w a sd e s i g n e df o rs o l v i n gl a r g es t r a i nu n d e r l l i 曲t e m p e r a t u r ei nt h i sp 印e r t l l i st h e s i si n c l u d e st h r e ep a n s ：t i l e f i r s tp a ni st l l es t u d yo n c i r c u i tn e t w o r ko fc o n d u c t i n gf i b e rb a s e do nt e x t i l es 咖c t u r e t h es e c o n dp a r ti st h es t u d yo nt h e r e l a t i 蚰s h i p b e t w e e nt h er e s i s 切n c eo f t h ec fy 帅a i l df a b r i ca i l dt l l et e m p e r a t u r e t h e “r dp a n i st h e 咖d yo nt h er e s p o n s eo ft h er e s i s t 觚c eo fc fy 锄f a b ct ot h es 仃a i nu n d e 】rc e r t a i n t e m p e r a _ t u 】汜，t 量l er e s i s t a i l c er e s p o n s eo fc fy 锄f a b r i cw i t ht e m p e r a t u r ea n ds t r a i nc h a l l g i n ga n d t h ec fy a mf a b r i cm e a s u r e ds i m u l t a n e o u s l yb yt e m p e r a t l l r e 锄ds t r a i n f i r s t l y ，t h es t u d ys i t u a t i o no fs m a nf i b e ra n d s m a r tt e x t i l ew e r er e v i e 、v e d t h e n ，t i l ep u 印o s e 觚ds i g i l i f i c a l l c eo ft h et h e s i sw e r ed e s c 舶e d ；a l s o ，t h em a i nr e s e a r c hc o n t e m ，i m o v a t i o np o i n t ， e m p h a s i sa l l dd i f f i c u l t yw e r ei n t r o d u c e d t os t u d yt t l em e c h a n i s mo ft h er e s p o n s eo ft h er e s i s t a l l c eo ft h es t a i l l l e s ss t e e ly a n lf a b r i c a l l dc fy a n lf - a b r i ct ot l l es t r a i l l ，、ef i r s t l ya i l a l y z e da i l ds i m u l a t e ds i n g l el o o po fk i l i t t e df a b r i c i n c l u d i n gt w ol o n gr e s i s t 锄c e sr la n dr 2 锄do n ec o n 眦tr e s i s t a l l c e w e 强a l y z e dm e r e s i s t a n c eo f s i n g l el o o p 晰t ht h es t r e n 垂hc h a n g i n g s e c o n d ，w es i m u l a t e dt h ec i r c u l a t en e t 、o r k o ft h ef a b r i c 锄dc a l c u l a t e dt h ee q u i v a l e n tr e s i s t a i l c eo ft h ef a b r i c w eu s e dm a t a l a b l 龇峪u a g et o c a l c u l a t et h ee q u a t i o nb e c a u s et h er e q u i r e ds o l u t i o no ft h ee q 删i o nw a sm o r e c o m p l e x t l l es i n i a t i o no ft h et h e o r e t i c a lv a l u e so fs sy a n lf a b r i ca i l dc fy 踟f a b r i c 、獬t h e s 锄e 仃e n d 、i mt l l ee x p e r i m e n t a lv a l u e s ，w 址c hi n d i c a t e dt h es t r a i ns e n s i n gm e c h 雒i s m 、邪 m a i l l l yc a i l s e db yt h ec o n t a c tr e s i s t a l l c eb e “旧e nt h ey a m s n l ec ff a b r i cw a sd e s i g n e df o rs o l v i n gm ed i f h c u l t ) ，p r o b l e mo fl a r g es t r a i ni l i l d e rl l i g h t e m p e r a t u r e i tw 嬲o b t a i n e dt l l a tt h er e s i s t 锄c eo fc fy a n lf a b r i cw 嬲a f r e c t e db yt e m p e r a t u r e i t w 嬲f o u i l dt l l a tm er e s i s t a l l c eo fc fy a md e c 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e n c e si nr e s i s t a n c eo fd i f - f e r e mc y c l e sd e c r e a s ew i t hi n c r e a s i n g t h er e p e a t a b i l i t yo ft h e f a b r i ci sg o o d s e c o n d l y ，t h er e s i s t a n c er e s p o n s eo fc fy a r nf a b r i cw i t hs i m u l t a l l e o u sc h 趾g i n g o ft e m p e r a _ t u r ea 1 1 ds t r a i nw a ss t u d i e d i tw a so b t a i n e dm a tt h er e s i s t a n c ed e c r e a s e sa s t e m p e r a t u r ea 1 1 ds 砌ni n c r e a s e t h er e p e a t a b i l i t ) ，o fm ef a b r i cb e c o m e sg o o da sc y c l et i m e i n c r e a s e s f i n a l l y ，、eu s e dt e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o nt e c h n o l o g yi n t oa c h i e v et h es e n s o ro fc f y 锄f a b r i cs i m u l t a n e o u s l ym e a s u r eb yt e m p e r a t u r ea n ds t r a i n k e y w o r d s ：s sy 锄f a b r i c ；c fy a r l lf a b r i c ；r e s i s 切n c e ；t e m p e r a t u r e ；s 仃a i n i i l 浙江理工人学硕士学位论文 第一章绪论 近年来，对刺激能产生响应的纤维和纺织品的研究和开发已引起人们极大的关注，一 些专家将智能纺织品( s m a nt e x t i l e s ) 看作是纺织服装工业的未来【1 捌，国内外许多机构丌始致 力于智能纺织品的开发研究，所开发的产品向多功能化、产业化的方向发展。智能纺织品 的开发在我国还是一个崭新的课题，它的发展必将对我国纺织行业产生巨大的影响。 1 1 智能纤维 智能纤维是指当纤维所处的环境发生变化时，纤维的形状、温度、颜色和渗透速率等 随之发生敏锐响应，即突跃性变化的纤维。智能纤维能够感知环境的变化或刺激( 机械、热、 化学、光、湿度、电磁等) ，并能作出反应【3 1 。 目前应用最多的纤维可以分为以下几种： 1 光敏纤维 光敏纤维是指纤维在一定波长的光照射下会发生变色，而在另一波长的光作用下又会 发生可逆变化回到原来颜色的现象。主要有光致变色和光导纤维两种4 1 。 2 温敏纤维 温敏变色纤维是指随温度的变化颜色发生变化的纤维。温敏纤维的加工主要是将温敏 变色染料通过共聚、共混、交联及涂层等方法引入到纤维中或纤维表面。 3 导电纤维 导电纤维一般指电阻率在1 0 8q c m 以下的纤维( 2 0 ，6 5 r h ) 【5 1 6 1 。最早的导电纤维 是利用金属的导电性能制成的金属类导电纤维，主要有不锈钢纤维、铜纤维和铝纤维，这 类纤维的导电性能优良且耐热耐化学腐蚀，但制造困难，尤其是较细的单丝造价很高与普 通纤维混纺加工难度大性能也较差。 4 形状记忆纤维 形状记忆纤维指具备在特定条件( 如湿度) 下有形状记忆纤维的总称。形状记忆纤维能 在第一次热成型时记忆初始形状，冷却时可进行第二次成型，并在更低温下将此形变固定 下来，当再次加热时能恢复为初始形状。应用最普遍的形状记忆纤维是镍钛合金纤维2 】。 5 p h 值响应性凝胶纤维 p h 响应性凝胶纤维是指随p h 值的变化而产生形态或体积改变的凝胶纤维，这种改变是 基于分子水平、大分子水平及大分子问水平的刺激响应性。控制凝胶纤维这种变化的力来 自于聚合物的弹力、聚合物间亲和力、离子压力。当这二者之间达到平衡时，凝胶纤维的 溶胀呈平衡状态；当这些力的平衡发生变化时，凝胶纤维就发生相变f 1 3 1 。 1 浙江理_ 工大学硕士学位论文 1 2 智能纺织品 1 2 1 定义 所谓智能纺织品是指对外界刺激具有感知能力或兼具反应能力的纺织品。智能纺织品 通常由传感器、致动器和控制单元三部分组成，能按照不同的需求实时地采集信号，并能 对信号做出相应的反馈及处理 1 4 。 1 2 2 分类 智能纺织品按照对外界刺激所反应的方式为消极智能纺织品、积极智能纺织品和高级 智能纺织品【1 7 9 1 。消极智能纺织品具有感知外界的环境和刺激，如开发出的关纤传感技术； 积极智能纺织品具有对外界环境和刺激感知且反应的能力：高级智能纺织品不仅具有对外 界环境和刺激感知和反应的能力，还表现出动态的白适应性。 1 3 论文的目的和意义 复合材料结构在成形和使用过程中常常会在高温下受到大应变的作用，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，从而对复合材料选择有一个指导作用。但是参阅了大量的文献 【2 0 2 6 】之后，关于高温下大应变的测量的报道很少，为了在高温下对大应变进行测量，我们 需要一种既能耐高温又能测量大应变的传感装置。不锈钢纤维纱和碳纤维纱本身具有耐高 温和导电性，只不过它们的断裂伸长率较小，我们通过把不锈钢纤维纱和碳纤维纱设计成 一种经编纺织结构，大大提高了它的伸长率以达到适应大应变的要求。 1 4 国内外的研究现状 张辉、陶肖明等人用不锈钢纤维纱和碳纤维纱编织成管状织物和单经编织物，分析了 管状织物的电阻网络模型，得出纱线间的接触电阻是导致织物电阻和应变响应的主要因 素，同时织物的结构决定了其电阻的灵敏度。通过测试由两种纱线编织成的两种织物的电 阻与时间及电阻与应变的关系，得出碳纤维纱编织的织物比不锈钢纱编织的织物具有较高 的灵敏度、重演性、准确性，与此同时管状织物与单经编织物相比具有高的最大应变但却 显示出较低的灵敏度。测试在不同的拉伸速度和不同的环境温度下管状织物的电阻与应变 的关系，得出温度对于织物电阻灵敏度的影响大于拉伸速度2 7 1 。 杨斌、陶肖明等人设计了2 种针织结构，通过拉伸实验观察到不锈钢织物的电阻与应 变在一定应变范围内成一线性关系，纺织结构的变化将改变应变传感的线性范围和灵敏度 【2 8 】 o 杨斌、蔡加阳等人研究了不锈钢纤维及其织物的电阻与温度之间的关系，由实验得出 2 浙江理上大学硕士学位论文 不锈钢纱线电阻随温度增加而线性增加，不锈钢织物的电阻随温度增加而下降，且在一定 范围内成线性关系，并大大提高了其电阻变化的灵敏度【2 9 】。 杨斌等人通过拉伸试验研究了不同组织结构不锈钢纤维织物的电阻与应变之问的关 系，观察到不锈钢织物的电阻变化依赖于不同的组织结构，线圈转移少、接触电阻变化大 的织物有利于提高电阻响应的灵敏度和重现性。另外不锈钢纤维织物的相对电阻变化还与 加载条件如最大循环应变、加载速率等相判3 0 1 。 陆婷等人用不锈钢纤维和碳纤维编织成一种经编纺织结构，在轴向拉伸过程中分别测 试两种织物的应变和电阻。实验表明：织物的电阻随应变的增加而减小，其中碳纤维纱织 物在拉伸恢复循环内和多次拉伸恢复循环问的重演性比不锈钢纤维织物好【3 1 1 。 苏黎世联邦理工学院的研究人员把涤纶纤维和铜丝复合成纱，然后制成平纹机织导电 织物，测试了不同的织物结构，纱线的细度等因素对织物导电性能的影响【3 2 】。 在意大利p i s a 大学，研究者r o s s i 将聚吡咯聚合在莱卡织物表面，对织物进行拉伸和施 压，得出织物的电阻率随拉伸率或压力的增加而线性下降，随后他将聚吡咯聚合在含有莱 卡纤维的手套中的一个手指上，在受到外力拉伸产生收缩，聚吡咯的导电性能发生变化， 通过分析和已录电信号的变化，可以探测出手指的运动情况【3 3 】。j a e w o o kr y u 【3 4 】以及k e i i c h i k a l l e t o i ”l 等人也有在这方面的研究，通过试验表明由聚吡咯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之用。 新西兰的一家z e p h ”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【3 6 】。 美国麻省理工学院的研究人员用不锈钢纤维在织物上刺绣出不同的电路，可以制成织 物软键盘【3 7 1 。通过将导电纤维和绝缘纤维纱线的交替编织。制成了可测压力的织物。 利用导电纤维在织物上刺绣的技术，p h i l i p 公司已经开发出了音乐夹克、音乐键盘和运 动夹克等系列产品【3 8 1 ，并通过将移动电话与服装相连接，实现服装的电子化和数字化。 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 9 1 。这意 味着，电子元件可以直接融入衣物或者玩具，它包括导电性尼龙层，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。 英国s o f i s 、i t c h 生产了用于商业的服装键盘。s o r s 诫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1 4 0 1 。 3 浙江理j 大学硕士学位论文 1 5 论文主要研究内容 本论文的主要研究内容如下： 1 导电纤维纺织结构的电阻网络模型的建立和分析。模拟导电纤维纺织结构的电路网 络，利用m a t l a b 语言计算其等效电阻，并与实际测量值进行比较。 2 碳纤维纱及其织物的电阻和温度的关系。随着温度的变化，碳纤维纱及其织物的电 阻也随之变化，得到电阻与温度的响应关系，并对其电阻对温度变化的灵敏度、线性性和 重演性进行分析。 3 碳纤维纱织物的温度应变特性。首先，研究一定温度下拉伸至不同最大应变的碳纤 维纱织物电阻和应变的关系，并对其电阻随应变变化的灵敏度线性性和重演性进行分析。 其次，研究温度和应变同时变化下碳纤维纱织物电阻响应。最后理论研究温度补偿技术。 1 6 论文的创新点、重点、难点和关键问题 1 6 1 创新点 论文旨在利用导电纤维的纺织结构达到在高温下进行大应变测量的要求，并对其传感 机理进行物理模型的建立和分析。 1 6 2 重点 1 用耐高温的碳纤维纱设计一种经编纺织结构，分析其电阻与应变的响应关系。 2 碳纤维纱单经编纺织结构的电阻和温度的响应关系，并分析其电阻对温度响应的灵 敏度、线性性和重演性。 3 不同温度下拉伸至不同应变的碳纤维纱织物电阻和应变的关系，并分析其灵敏度、 线性性和重演性。 4 温度和应变同时变化的碳纤维纱织物电阻的响应 1 6 3 难点 导电纤维纺织结构的传感机理。 1 6 4 关键问题 温度应变同时均匀变化范围的选择和温度、应变和织物电阻值的实时获取。 4 浙江理工大学硕士学位论文 第二章导电纤维纺织结构的电路网络模型研究 2 1 引言 不锈钢纤维纱具有强度高、耐高温、导电性能好等优点，碳纤维纱具有良好的导电 性能、大拉伸模量和耐高温等优点【4 2 】，因此都可以应用于高温下的电阻对应变的响应，但 是两者的断裂伸长率比较低，不能直接的应用于大应变的测量。本文通过将不锈钢纤维纱 和碳纤维纱设计成一种纺织结构来满足高温下大应变测量的要求，并对不锈钢纤维纱经编 结构和碳纤维纱经编结构进行了模拟和分析，得出织物的模拟网络电路，研究其织物的应 变传感机理。 2 2 模型建立 2 2 1 线圈中弧长的转移 由于垂直方向上的线圈是重复的，所以取一个单位线圈作为研究单元，单个线圈的电 路模拟如图2 。1 所示，包括一个接触电阻r 。和两个与长度有关的电阻r l 和r 2 【4 3 j 。 图2 1 单个线圈的电路模拟 f i g 2 1c i r c u i ts i m u i a t i o no fs i n g i ei o o p 当织物受到纵向拉伸力作用的时候，线圈也发生了改变，首先是弧长b a h 向弧长b c 和h f 转移，同样弧长c d e 向弧长c b 和e f 转移，继续增加拉伸力即超过接触部分的内部纱 线的摩擦力，接触部分的b 、h 两点向中心点a 靠近，形成一点的接触电阻，随着拉伸力的 回复，接触点也逐渐向初始状态回复，但由于试样本身的塑性变形，线圈不能完全回复到 初始状态。 2 2 2 电路网络的模拟和解决方法 模型是在不锈钢纤维纱和碳纤维纱织物的基础上建立的，并且有如下的假设： ( 1 ) 5 浙江理j 大学硕士学位论文 纱线的单位长度的电阻是不变的，且与拉伸变形无关；( 2 ) 纱线间的摩擦可以忽略。 图2 2 织物的电路网络模拟 f i g 2 2c i r c u i tn e t w o r ks i m u l a t i o no ft b ef 囊b r i c r c ( b ) r 2 r 2 r 2 图2 2 ( a ) 是由1 0 0 个单个线圈组成的经编结构，图2 2 ( b ) 是模拟经编结构的网络 电路图。 图2 2 ( b ) 中织物的等价电阻r 。定义为总电压u 和总电流删的比值： r ：旦 l _ ( 1 ) l l f d 基尔霍夫电压定律和电路循环理论可以用于计算织物电路的总电流f f 啪，。基尔霍夫电 压定律：在集中参数电路中，任何时刻，沿任意回路，所有支路电压的代数和恒等于零。 即对任一闭合回路有：“= 0 。假设电流f 流过电路网络的每一个电路，真正流过电路分 支的电流，是假设电流f 的代数和，因此等价电阻都可以通过解这个方程来获得。 图2 2 表明织物的总电流是织物等价电阻的表达式： 6 浙江理工大学硕+ 学位论文 r 。：兰 f 1 0 1 织物电路网络方程为： 【r + ，】【i l 】- u i 】，i = l ，2 ，3 ，1 0 0 【尺+ ，】= 【u 】- j r l + r 2 + 尺， 一尺。 0 o 一尺l o o o 0 u r 尺l + 尺2 + 2 r 。 一r o 一蜀 1 ( 2 ) 1 ( 3 ) 其中尺+ ，是电流f 流过的电阻总和，f ，是各个回路中的电流，u ，是各个回路中的电压。 如果 尺，】已知，总电流f l o 可以通过解方程l 一( 3 ) 来求得。 2 3 实验 2 3 1 试样的制备 2 0 c m 长的单根碳纤维纱、2 0 c m 长的两个并列碳纤维纱线和各为1 0 c m 长的两个碳纤 维纱线相交。 利用钩针手工制作不锈钢纤维和碳纤维经编纺织结构，含有1 0 0 个单个线圈的不锈钢 纤维纱和碳纤维纱纺织结构的长度分别为1 5 8 c m 和1 7 2 c m 。 2 3 2 实验仪器和装置 实验拉伸使用同本岛津公司的a g - l 电子强力仪，电阻测量使用美国a g i l e n t 公司的 3 4 4 0 l a 数字万用表，两者同时进行，得出电阻与应变的关系。图2 3 是实验装置示意图。 7 墨蜀r日帜 一 一 一 一 o r + 恐q ：= j - 尼 r r o r 一 一 r 疋，o足 以。即o以 + 墨 浙江理：r 人学硕士学位论文 2 4 实验方法 图2 3 实验装置示意图 f i g 2 3s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h ee x p e r i m e n t a is e t u p ( 1 ) 将试样为2 0 c m 长的两根并列纱线和2 0 c m 长的两根相交纱线分别拉伸至o 7 5 ( 断裂伸长率) ，得出试样的电阻和拉伸力的关系，并通过相交纱线减去并列纱线的电阻 得出相交纱线中接触部分的接触电阻和拉伸力的关系。 ( 2 ) 试样为1 5 8 c m 的不锈钢纤维纱织物和1 7 2 c m 的碳纤维纱织物分别拉伸至应变为 0 、1 0 、2 0 和3 0 ，然后测量在不同应变下织物的特定单线圈中各个弧长的变化值，并 记录下来，紧接着将织物回复至应变为2 0 、l o 和o ，在对其不同应变下织物的特定单 个线圈中各个弧长变化值。为了减小人为误差，各个弧长测试三次并取其平均值。 2 5 结果与讨论 2 5 1r 。和r ：的计算 表2 1 不锈钢纤维纱纺织结构在应变过程中弧长的变化 t a b 2 1t h ea r cl e n g t hc h a n g eo fs sy a r nb a s e do nt e x t i i es t r u c t u r ew i t hs t a i n 8 浙江理j r 大学硕十学位论文 表2 2 碳纤维纱纺织结构在应变过程中弧长的变化 t a b 2 2t h ea r ci e n g t hc h a n g eo fc fy a r nb a s e do nt e x t i i es t r u c t u r ew i t hs t a i n 在电路模型中，r i 和r 2 是与纱线长度有关的，只要计算出单位长度的电阻即可以求 得r l 和r 2 。表2 1 和表2 2 分别是不锈钢纤维纱和碳纤维纱纺织结构在应变过程中一特定 单线圈的弧长变化，i ；i 面假设( 1 ) 中认为纱线的单位长度的电阻是不变的，且与拉伸变形无 关，因此我们可以直接计算出单个线圈中的r l 和r 2 的值。由实验得知2 0 c m 长的单根不 锈钢纤维纱和碳纤维纱的电阻分别为9 1 4 0 h m 和1 2 7 0 l o h m ，2 0 c m 长的并列不锈钢纤维纱 和碳纤维纱的电阻分别为4 8 0 1 0 胁和6 4 7 1 0 l l i i l ，因此分别得出不锈钢纤维纱和碳纤维纱 的r l 和r 2 ，如表2 3 和2 4 所示。 表2 3 不锈钢纤维纱线在应变过程中r i 和r 2 的变化 t a b 2 3t h er la n dr 2c h a n g eo fs sy a r nb a s e do nt e x t i l es t r u c t u r ew i t hs t a i n 表2 4 碳纤维纱线在应变过程中r l 和r 2 的变化 t a b 2 4t h er la n dr 2c h a n g eo fc fy a r nb a s e do nt e x t i l es t r u c t u r ew i t hs t a i n 9 浙江理工大学硕+ 学位论文 2 5 2 的计算 接触电阻是由两个重叠的纱线在拉伸过程中接触压力决定的，接触电阻和接触压力 的关系可以通过实验求得，公式如下： 尺。= 厂( ) 其中是拉伸过程中的接触压力，是通过实验求得的。 1 ( 4 ) 图2 4 是不锈钢纤维纱纺织结构的接触电阻和拉伸力的关系。从图2 4 可以看出不锈 钢纤维纱纺织结构的接触电阻随着拉伸力的增加而减小，对其曲线模拟可知，不锈钢纤维 纱织物的接触电阻和拉伸力的关系分别为：拉伸时尺。= 4 8 4 5 4 木e x p ( 一f 1 3 1 7 9 ) + 0 1 0 3 6 ， 回复时r 。= 3 0 5 3 8 e x p ( 一f 1 6 4 8 5 ) + o 0 8 6 5 。 图2 5 是碳纤维纱纺织结构的接触电阻和拉伸力的关系。从图2 5 可知，碳纤维纱纺 织结构的接触电阻随着拉伸力的增加而减小，对其曲线模拟可知，碳纤维纱织物的接触 电阻和拉伸力的关系分别为：拉伸时r 。= 2 6 0 5 7 0 5 幸e x p ( 一f 2 9 3 5 0 5 ) + 1 5 1 8 9 2 ，回复时 月。= 3 1 4 4 0 5 宰e x p ( 一f 4 1 5 8 9 8 ) + 8 3 0 9 0 。 ，、 e 上 3 q u c g 璺 2 _ 譬 芒 o u 图2 4 不锈钢纤维纱纺织结构的接触电阻与拉伸力的关系 n g 2 4t h e 他i a t i o n s h i pb e t w e e nc o n t a c tr 鹤i s t a n c ea n dt e n s i i ef o r c eo ft e x 嘲es t r u c 佃r eb ys sy a m 1 0 浙江理r 人学硕士学位论文 图2 5 碳纤维纱纺织结构的接触电与拉伸力的关系 f i g 2 5t h er e i a t i o n s h i pb e t w e e nc o n t a c tr e s i s t a n c ea n dt e n s i i ef o r c eo ft e x t i l es t r u c t u r eb yc fy a r n 因为拉伸力是在线圈中依次传递的，因此只需测得织物拉伸至某一应变的拉伸力，就 可以知道单个线圈中接触压力的大小，公式如下： = f1 ( 5 ) 其中f 是织物的拉伸力。 将式i ( 2 ) 分别代入不锈钢纤维织物和碳纤维纱织物拉伸回复时接触电阻和拉伸力 的关系式中得出织物接触电阻的计算公式，将已测得的拉伸力代入到公式当中，结果如表 2 5 和表2 6 所示。 表2 5 不锈钢纤维织物在应变过程中接触电阻的变化 t a b 2 5t h ec o n t a c tr e s i s t a n c ec h a n g eo fs sy a r n1 a b r i cw i t hs t r a i n 电阻( o h m )艮 初始 1 0 2 0 3 0 ( 回) 2 0 ( 同) l o ( 回) o 2 0 6 4 1 9 5 1 1 3 9 9 1 3 4 5 1 4 0 4 1 4 5 6 1 6 0 2 浙江理- t 大学硕+ 学位论文 表2 6 碳纤维纱织物在应变过程中接触电阻的变化 t a b 2 6t h ec o n t a c tr e s i s t a n c ec h a n g eo fc fy a r nf a b r i cw i t hs t r a j n 电阻( o h m ) 6 0 3 5 1 2 8 7 2 3 6 3 0 4 2 5 3 基于m a t l a b 的计算机求解 通过上述分析，可知求解织物纺织结构电阻的等效值的过程可归结为求解这些参数矩 阵，这类运算用m a t l a b 计算是最适合的。 要求解1 ( 3 ) 式中的矩阵方程，计算过程是非常繁琐的，但在m t a l a b 中利用矩阵 运算可以很快的求解出矩阵方程( 具体程序见附录) 。 图2 6 和2 7 分别是不锈钢纤维织物电阻的理论值、实验值和应变三者间的关系和碳纤 维纱织物电阻的理论值、实验值和应变三者之间的关系，从图2 6 和2 7 可以看出织物的理 论值和实际值的变化趋势基本相同，然而理论值和实验值之问存在漂移现象，这可能是由 于假设中织物的拉伸力不是均匀的分布在织物中而导致的，还有可能是假设中认为纱线间 的接触电阻与接触长度无关而只与接触压力有关。 尽管理论值和实验值之间存在着差异，但它们变化的趋势确实基本相同，因此得出 控制织物传感器的应变和电阻关系的关键因素是纱线问接触电阻。为了制作高灵敏度、重 演性和准确性的应变传感器，应该优化织物结构中纱线间的接触电阻。 1 2 一钙”弘拍砣卯奶慨m始2h 棚m加如耶彤哺 浙江理_ t 大学硕十学位论文 4 5 3 5 2 5 2 0 o s t r a i n ( ) 2 02 53 0 图2 6 不锈钢纤维纱织物电阻的理论值和实验值 f j g 2 6t h et h e o r e t i c a ia n de x p e r i m e n t a iv a l u eo fs sy a r nf a b r i c 6 0 5 5 5 0 4 5 3 5 o5l o1 52 02 53 0 鼬商n ( ) 图2 7 碳纤维纱织物电阻的理论值和实验值 f i g 2 7t h et h e o r e t i c a ia n de x p e r i m e n t a lv a l u eo fc fy a i 。nf h b r i c 2 6 本章小结 ( 1 ) 不锈钢纤维织物和碳纤维纱织物电阻的理论值和实验值的变化趋势基本相同，但 1 3 量上ovuul-rb苗lsq幺 e上o)quc蛊ls02 浙江理上大学硕士学位论文 实验值和模拟电路得出的等效电阻存在定的差异。 ( 2 ) 影响织物电阻和应变关系的关键因素是接触电阻。 1 4 浙江理i = 大学硕七学位论文 第三章碳纤维纱线及其织物的电阻与温度关系 3 1 引言 纺织复合材料是以纺织预制件为增强材料的复合材料，可以应用于宇航、造船、车辆、 体育、军械等领域【4 4 】。然而在材料成型过程中，常常会遇到高温和大应变，这就需要一种 可以在高温下进行大应变测量的传感器来监测和防止一些重大的损伤。碳纤维纱本身具有 耐高温、导电性等优点，论文通过将碳纤维纱设计一种针织结构来形成碳纤维纱织物，对 碳纤维纱线及其织物的电阻和温度的关系进行研究，并分析其电阻对温度响应的灵敏度、 线性性。 3 2 实验 3 2 1 试样的制备 试样采用碳纤维纱线及其制备的单经编织物。纱线试样：烘箱内测量的纱线总长为 1 0 0 c m ，烘箱外测量的纱线总长为2 0 0 c m ，处于烘箱内外的纱线分别为1 0 0 c m 。织物的试 样尺寸2 2 c m 2 m m ，处于烘箱内外的连接纱线分别为5 0 c m 和5 0 c m 3 2 2 测量方法 图3 1 为实验装置示意图。美国a g i l e n t 公司的3 4 4 0 l a 数字力用表测量电阻，美国 c s z 公司z p 系列温湿度控制箱测量温度变化，两者同时进行，得出试样的电阻与温度的 关系。 图3 1 实验装置示意图 f i g 3 1s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h ee x p e r i m e n t a ls e t u p 3 3 结果与讨论 3 3 1 碳纤维纱电阻和温度的关系 1 5 浙江理r ：大学硕士学位论文 ， g 二 。 石 u c 时 苗 磊 。 巨 4 5 5 4 5 0 4 4 5 5 5 5 5 5 0 5 4 5 5 3 5 _ 4 02 0o2 04 06 0 t e m p e m t u r e ( 。c ) 6 04 02 0o2 04 06 0 t e m p e m m 喊。c ) ( b ) 图3 2 烘箱内( a ) 和烘箱外( b ) 碳纤维纱线电阻随温度的变化 f i g 3 2t h em s i s t a n c eo fc fy a r nc h a n g ew i t ht e m p e 瑚t u 托( a ) i nm ec h a m b e r ( ”o u to f 伯ec h a m b e r 1 6 一i_芒i|oquc一_一们。配 浙江理工大学硕士学位论文 t e m p e 咖佗( ) ( a ) t e m p e 啪陀( - c ) ( b ) 图3 3 烘箱内( a ) 和烘箱外( b ) 碳纤维纱线相对电阻随温度的变化 f i 9 3 3t h e 他i a t i v e 他s i s t a n c eo fc fy a r nc h a n g ew i t ht e m p e 阳t u m ( a ) i nt h ec h a m b e r ( b ) o u to f t h e c h a m b e r 为了考察在烘箱外测量时连接纱线对测量结果的影响，分别将测量探头放在烘箱内外 进行测量，由于探头不耐高温，所以仅升温到5 4 ，测试结果如图3 2 所示。图3 2 ( a ) 和图3 2 ( b ) 分别为烘箱内和烘箱外碳纤维纱线电阻随温度变化的曲线图，实验结果表明 碳纤维纱线电阻随温度的升高而减小，且在一定范围内成线性关系，原因在于碳纤维的传 导性能，它属于半导体，其电阻率与纤维内兀电子浓度、微晶大小及其取向度有关。一般 1 7 浙江理工大学硕士学位论文 来说，随着温度的升高，碳纤维的石墨微晶越大，结构越完整，沿纤维轴的取向度越高， 同时禁带变窄，导带变宽，7 c 电子数目增加，因而电阻率降低，导电性提高f 4 5 1 。由曲线的 拟合可知，在温湿控制箱内测量的电阻变化灵敏度：升温为0 18 5 7 3 0 h n l ，降温为 0 1 9 2 4 0 0 h n l ，在温湿控制箱外测量的电阻变化灵敏度：升温为0 1 8 3 0 0 0 删，降温为 0 1 9 1 1 9 0 删。图3 3 ( a ) 和3 3 ( b ) 分别为烘箱内和烘箱外碳纤维纱线相对电阻随温 度变化的曲线图，由曲线的拟合结果可知，在温湿控制箱内测量的相对电阻变化的灵敏度： 升温为0 0 4 0 4 3 0 h n ，降温为0 0 4 1 8 9 0 h 州，在温室控制箱外测量的相对电阻变化的灵 敏度：升温为o 0 3 3 1 4 0 w ，降温为0 0 3 4 5 8 0 h 州。 通过实验结果我们可以得出，温湿控制箱外测量的电阻变化灵敏度的绝对值小于温湿 控制箱内测量得到值，烘箱外测量的相对电阻变化的灵敏度对烘箱内测量的相对电阻变化 的灵敏度的相对误差为：升温为1 8 0 3 ，降温为1 7 4 5 ，因此测量时要考虑该误差对实 验的影响。 t i m e ( 5 s ) 图3 4