针织结构柔性传感元件的拉伸电学性能

张莹莹，沈兰萍，翟娅茹

(西安工程大学 纺织科学与工程学院，陕西 西安 710048)

0 引 言

2018中国服装杭州峰会暨首届中国服装智能制造大会的举行，人工智能、大数据、智能可穿戴等话题便成为热点[1-2]。传感器是智能可穿戴服装的重要组成部分[3-4]，普通传感器柔软性、舒适性较差，不能满足智能纺织品的使用要求，因此柔性传感器应运而生。柔性传感器柔韧性好[5]，可延伸、弯曲与折叠[6-7]，能使纺织品快速实现自适应的动态变化，如通过新型油墨3D打印制成一种模拟人体皮肤质感和灵敏度的新型压阻式传感器[8]。目前柔性传感元件的种类主要有纱线型和织物型，织物型柔性传感元件更能保证精度的有效性和可行性[9]。随着纺织材料与技术[10]、柔性集成与传感技术[11]、智能可穿戴技术[12]、新型智能机器人等的发展，纺织结构的柔性传感元件已逐步应用到各领域[13]，如采用电纺丝聚合物纤维垫制成的柔性电阻型应变传感器，可监测人体运动[14]。针织物因其线圈结构而具有良好的拉伸弹性，且舒适贴身、质轻，易衬入导电传感材料作为柔性传感器的载体。研究表明，在小拉伸应变下，针织柔性传感元件在单元线圈间的接触力变化微小，使其电阻发生改变的决定性因素是线圈间发生了纱段转移[15]。蔡倩文等用不同导电纤维制备柔性传感器，测试不同行、列的导电性能，结果显示其局部电阻测试规律与文献建立模型基本吻合[16]。方方等采用SOFTCEPTOR柔性传感器进行定伸长重复循环拉伸实验，结果显示其灵敏度很高，弹性回复率高达96%，但其重复性较差，在实际使用中需对输出电阻进行误差补偿[17]。郭秋晨等采用不同导电纱线制备了不同传感区的柔性传感器，发现镀铜锦纶丝针织柔性传感器的电阻与应变呈线性关系[18]。

现有研究以对不同组织进行一种动态变化的电学性能研究，以及不同导电纱线柔性传感器的传感性能研究为主。针对针织结构下不同运动状态的电学性能，本文设计开发3种不同组织结构的针织柔性传感元件试样，测试其在不同动态下的电阻变化情况，研究柔性传感元件的电学性能。

1 实 验

1.1 原料及仪器

1.1.1 原料 不锈钢纤维。线密度为78.8 dtex，电阻率为4.21×10-5Ω·cm，伸长率36.32%，强度2.2 cN/dtex，模量20.82 cN/dtex。

1.1.2 仪器 Instron 5565万能强力拉伸仪(美国英斯特朗公司)，YF132B-XG-Ⅲ电脑横机(德国斯托尔)，Agilent 34401A数字万用表(深圳市世家仪器有限公司)。

1.2 针织柔性传感元件制备

针织物由线圈相互穿套而成，其电阻会随着线圈形态的变化而发生改变，根据针织物的线圈特点，用电阻六角模型构造结构特征[15]。选取纬平针、1+1罗纹和2+2罗纹等3种最简单常用的针织结构，这3种组织不仅满足电阻六角模型规律，且满足柔性传感元件的基本要求，即织物在横、纵向均具有良好的弹性和延伸性。设计并在电脑横机上试织3种柔性传感元件试样，试样参数见表1，试样规格为20 cm×10 cm。

表1 柔性传感元件试样参数

1.3 测试方法

1.3.1 相同拉伸速率下的电阻 夹持长度10 cm，试样拉伸总长度25 mm，预加载荷0.5 N，拉伸速度100 mm/min，测试模式为“结束并返回”，万用表设定6位分辨率。

1.3.2 不同拉伸速率下的电阻 在拉伸速率为50 mm/min、100 mm/min、200 mm/min、400 mm/min时，对3种不同结构的试样进行拉伸，测量电阻值变化。

1.3.3 循环拉伸状态下的电阻 拉伸速率为100 mm/min，每次将试样拉伸至规定伸长率后，待上夹头至初始位，将拉伸仪的位移设为0，以便下次试样拉伸到达25 mm后可自动返回，循环周期设置为20次。20次循环中选取第1个3次和最后1个3次循环的测量值，比较其电阻差值的大小，值越小说明重复性越好。

1.3.4 拉伸疲劳性 试样尺寸20 cm×6 cm，使用Instron强力机，在PC端设定拉伸速度为100 mm/min，夹持隔距为100 mm，实验疲劳次数为20次，最大拉伸率为50%。到达最大拉伸位置时保持1 min，待试样回复后静置2 min，得到其拉伸疲劳情况。

1.3.5 柔性传感元件精度 柔性传感元件的精度用灵敏度(G)来表示，电阻变化量越大，灵敏度越高，其公式如下：

(1)

式中：R为拉伸后柔性传感元件的电阻值，Ω；R0为原始电阻值，Ω；ε为柔性传感元件的伸长率，%。

2 结果分析

2.1 不同拉伸方向下柔性传感元件的电学性能

3种试样的电阻与伸长率的关系如图1所示，灵敏度计算结果见表2。

(a)横向拉伸

表2 横、纵向拉伸下的灵敏度

由图1可知，3种试样随横、纵向伸长率的增加电阻均呈下降趋势，但横向拉伸电阻变化比纵向电阻变化小，因此相同条件下纵向拉伸的灵敏度比横向高。这是因为试样在纵向拉伸时，线圈接触压力增大且接触点增多，试样电阻变化更大，灵敏度高；而横向拉伸时试样易伸长，使拉伸变化延迟致使接触点较少，电阻变化量较小，故而灵敏度低。用于柔性传感元件的灵敏度不能低于1.44[16]，由表2可知，横向拉伸下试样1的灵敏度在规定区间，纵向拉伸的灵敏度均较高，试样1的灵敏度最高。这是因为试样1结构紧密，拉伸时线圈连接处的接触力增大，使电阻变化量增大，灵敏度高；而试样2、3均是罗纹组织，结构疏松，拉伸时易发生形变使接触力变化延迟，电阻变化量较小，灵敏度低。

2.2 拉伸速率对柔性传感元件电学性能的影响

不同拉伸速率下3种试样的电阻与伸长率的关系如图2所示，灵敏度计算结果见表3。

(a)试样1

表3 不同拉伸速率下3种柔性传感元件的灵敏度

由图2及表3可知，3种试样均在低速拉伸时电阻变化较大，高速拉伸时电阻变化较小，且低速拉伸时灵敏度高，其中试样1灵敏度最高。这是因为在低速拉伸时，试样随应力的缓慢增加而快速作出响应，使电阻值立即发生改变；当拉伸速率加快时，试样来不及做出响应，电阻值不会立即变化，导致低速拉伸时灵敏度高，高速拉伸时灵敏度低。试样1为纬平针结构，组织紧密稳定，线圈间的接触也较紧密，因此受到拉伸时，线圈连接处的接触力增大，电阻变化量增大，灵敏度高，而试样2、3结构较松散，拉伸时易发生形变，接触力变化延迟，电阻变化量小，灵敏度较低。

2.3 循环拉伸对柔性传感元件电学性能的影响

重复性可以间接评价传感元件的耐用性，3种试样循环拉伸20次的电阻变化如图3所示，计算所得重复性结果见表4。

(a)试样1

表4 试样重复性

由图4可知，在20次循环拉伸中，3种试样电阻变化均为拉伸时降低，回复时增加，但在初始循环回复到原位置时电阻值减小，随着整个循环拉伸的进行，回复电阻逐渐增大。这是因为拉伸时试样间的接触力逐渐增加，使电阻降低；回复时由于针织物的回弹性使线圈间产生小部分塑性变化，接触力相对于拉伸时减小，故电阻逐渐增加；在初始拉伸循环中，前一次拉伸力释放后，试样还未回复到原始状态就开始下一次拉伸，因此在初始拉伸循环中，回复电阻值远低于原始电阻值，而在多次循环拉伸后，试样弹性回复稳定，电阻变化稳定，回复电阻值接近于原始电阻值，但由于回复时没有完全克服摩擦力，故电阻值不会回复到原始形态。由表4可知，试样1的电阻差值最小，重复性最好，这是因为试样1的纬平针结构稳定，循环拉伸下结构变化小；而2种罗纹试样结构疏松易变形，随着拉伸次数的增加，试样结构产生变化，重复性变差。

2.4 循环拉伸对柔性传感元件结构的影响

根据1.3拉伸疲劳性测试的方法进行实验，3种试样20次循环拉伸的结构变化见表5。

由表5可知，3种试样在20次循环拉伸中，试样1蠕变较小，试样3蠕变最大。这是因为试样1的结构紧密，线圈形态小，使得不同线圈间的联系增强，外力作用于试样1时，线圈间的作用力大从而产生的蠕变较小，试样本身具有的弹性回复力使得较小蠕变回复，具有良好的尺寸稳定性；试样2、试样3的结构疏松，线圈间的作用力小于外力，使得试样在拉伸过程中产生形变，甚至超过了其弹性回复力，从而产生较大的蠕变及明显的弹性回复滞后行为。但3种试样的蠕变量均不超过10%，具有一定的形变回复能力和抗疲劳性能。

表5 3种试样20次循环拉伸的负载参数

3 结 论

1)3种试样电阻随横、纵向伸长率的增加均呈下降趋势，横向拉伸电阻变化小于纵向，纬平针试样的电阻变化量最大，灵敏度最高。

2)3种试样在低速拉伸时的电阻变化量比高速时大，低速拉伸时均表现出高的灵敏度，且纬平针试样灵敏度最高。

3)3种试样在循环拉伸中，拉伸时电阻降低，回复时逐渐增大，且初始拉伸循环中回复电阻值远小于原始电阻值，多次循环拉伸后回复电阻逐渐增大，接近原始电阻值，且纬平针试样的重复性最好。

4)3种试样在循环拉伸中，蠕变量均不超过10%，具有一定的弹性回复能力和抗拉伸疲劳性能，且纬平针具有良好的尺寸稳定性，罗纹试样具有明显的弹性回复滞后行为。