基于导电纤维的柔性传感器研究进展

曾玮宸， 刘 茜

(上海工程技术大学 服装学院，上海 201620)

0 引 言

近年来，智能纺织品的研究和应用已得到广泛地展开，为了开发适应性更好的智能纺织品，需要使用具有一定监测功能(如机械、热、化学、光、温度、电磁等)并随之做出敏锐响应转换为可用信号的柔性传感器。与刚性传感器不同，柔性传感器采用柔性材料制成，柔韧性好，可自由弯曲，与智能纺织品的贴合性能好，具有非常广泛的应用前景[1]。

导电纤维作为一种智能纤维，具有优良的导电性，不仅可以用来消除静电、吸收电磁波，更重要的是可用于电信号的探测和传输。导电纤维可以直接使用，或者通过纺纱的方式制成导电纱线，应用于一维传感的柔性传感器，也可以通过针织、机织等织造方法制成导电织物，应用于二维传感的柔性传感器。基于导电纤维开发的传感器具有优良的灵敏度、耐久性和柔曲性，具有广泛的应用空间。

本文在明晰导电纤维种类的基础上，分析了基于导电纤维柔性传感器的工作原理，归纳分析了一维导电纤维状和二维导电织物状柔性传感器在人体运动、体征检测、人机交互等领域的研究与应用，提出了柔性传感器及智能纺织品的发展方向。

1 导电纤维

导电纤维是指全部或部分使用金属或导电性有机物等导电材料或亚导电材料制成的纤维。依据导电纤维的主要成分及其导电机理，可将其划分为金属类导电纤维、有机高分子类导电纤维、碳素类导电纤维三类。

1.1 金属类导电纤维

金属是良好的导体，用金属材料制得的导电纤维具有良好的导电性和导热性，并且具有一定的柔曲性，能耐热耐腐蚀。金属材料可以直接制成导电纤维，也可以通过金属喷涂法使普通纤维获得导电性，进而得到导电纤维。

金属纤维的直接制作方法主要包括拉拔法、切削法和熔抽法三种。拉拔法有单丝拉拔法和集束拉拔法。单丝拉拔法一次只拉伸一根金属丝，尺寸精确可控，但工艺繁琐；集束拉拔法是将金属丝材复合组装，多次多股拉拔到所需的芯丝直径，生产效率高，成本低，是目前产业化生产金属纤维的主要方法[2]。切削法是用刃具将金属切削成纤维屑，方法简单，成本低[3]。熔抽法又称熔融纺丝法，是从液态金属中直接生产金属极细丝的方法，原理是将金属加热成熔融状态，再通过一定的装置将熔融液喷出或甩出而形成金属细丝[4]。

金属纤维的喷涂法是通过真空镀、化学镀、电镀、磁控溅射等方法，将金属覆盖在普通纤维表面，从而得到导电纤维。真空镀是在真空中加热金属，使其在纤维表面上镀上一层薄且均匀的金属镀层；化学镀是在含有金属离子溶液中，通过还原剂将金属沉积在纤维表面；电镀法是利用电解的原理，将金属离子在纤维表面还原的一种方法；磁控溅射是通过粒子轰击金属表面，使得被轰出的金属粒子沉积在纤维表面形成镀膜的方法。这些方法获得的导电纤维因导电层在纤维表面，其导电性能不如纯金属纤维和复合纺丝纤维，同时纤维的染色性能可能会受到影响，纤维手感较差、抱合困难、可纺性差，且在后期织造和使用过程中不可避免地因摩擦会使导电层脱落，限制该类导电纤维的使用[5]。

1.2 有机高分子类导电纤维

有机高分子材料在过去通常被认为绝缘体，而1976年，美国宾夕法尼亚大学的化学家Diarmid M的研究小组首次发现掺杂后的聚乙炔(poly acetylene，PA) 具有类似金属的导电性[6]。随着对导电高分子材料认识的不断深入，人们相继又发现了聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等高分子导电物质。

与金属类导电纤维不同，有机高分子类导电纤维通常不能单独使用，需要和其他纤维混纺得到导电纱线。导电高分子材料也可以通过原位聚合法、蒸汽法、黏合法等后处理方法在附着于其他纤维表面赋予其导电性。

有机高分子类导电纤维的直接生产方法主要包括溶液纺丝法和熔体纺丝法。溶液纺丝法是将有机物溶液直接纺丝得到导电纤维。熔体纺纱法是先将有机物熔融再进行纺丝。Soroudi A 等人[7]制备了聚丙烯、聚苯胺和碳纳米管(CNTs)共混物，并将其熔融纺成纤维细丝。结果表明，所制备的纤维具有良好的导电性、热性能和机械性能。

有机高分子导电纤维的后处理方法包括黏合法、蒸汽法、原位聚合法等。黏合法是通过黏合剂，将有机导电粒子黏合在纤维表面使其具有导电性；蒸汽法是将纤维放置在苯胺蒸汽中，使苯胺在纤维表面聚合从而获得一层导电膜；原位聚合法是将导电聚合物单体与催化剂全部加入溶液中，由于导电聚合物单体在溶液中是可溶的，而其聚合物在整个体系中是不可溶的，所以在纤维上发生聚合反应。例如，以普通纤维作为基材，将其置于苯胺溶液中，使纤维表面吸附苯胺单体，再置于催化剂溶液中，使苯胺在基质纤维表面发生聚合，形成一层聚苯胺导电层，就能制备得到有皮芯结构的聚苯胺改性导电纤维[8]。

1.3 碳素类导电纤维

碳元素在自然界中有多种同素异形体，如石墨、金刚石、石墨烯等都是其无机存在形式。而将碳元素用于导电材料也有多种形式，如碳纤维、炭黑、石墨烯、CNTs等。其中，碳纤维本身就可以作为导电纤维直接使用，而炭黑、CNTs、石墨烯等碳素材料则需要通过导电改性或者混纺的方式在普通纤维的基础上制成导电纤维。

碳纤维有聚丙烯腈基、沥青基及黏胶基三大类，将这些基材在高温下经过氧化、碳化、牵伸等过程就能制得碳纤维。CNTs、石墨烯、炭黑等在制备导电纤维时，人们尝试了很多种方法。胡馨之等人[9]以聚氨酯为弹性结构相，纳米炭黑为导电功能相，基于非溶剂致相分离原理，通过湿法纺丝工艺制备纳米炭黑/聚氨酯弹性导电纤维，发现当复合纤维中炭黑的质量分数为40 %时，相应电导率为7.6 S/m，较纯聚氨酯纤维提高了10个数量级，纤维具有较好的导电性能。由于炭黑价格低廉、纤维制备简单，该种复合纤维具有良好的应用前景。Lu Z等人[10]使用石墨烯层层包裹—还原的方法制备了导电蚕丝纤维。先将蚕丝浸泡在带有正电荷的牛血清蛋白( BSA) 溶液中进行改性，然后将BSA/蚕丝纤维浸入氧化石墨烯溶液中。氧化石墨烯由于表面含有羧基、羟基等含氧基团，其表面电位呈现负值，通过正负电荷相互吸引，能够更有效地将氧化石墨烯附着到蚕丝纤维表面，最后使用水合肼将氧化石墨烯还原为石墨烯。重复上述氧化石墨烯浸涂—水合肼还原的过程，即可得到石墨烯导电蚕丝织物。程芳华等人[11]采用湿法纺丝工艺制备出了质量分数为10 %的CNTs/热塑性聚氨酯(TPU)导电纳米复合纤维。该纤维具备良好的电导率(0.64 S/m)，强度(9.81 MPa)和高的断裂伸长率(487 %)。

2 基于导电纤维的柔性传感器

柔性传感器是一种具有一定柔性的、可以将非电学的物理量、化学量和生物量等转换成电信号的装置。基于导电纤维的柔性传感器可以将导电纤维或者导电织物产生的机械变形转换为电子信号输出，从而获得测量信息。这种基于导电纤维的柔性传感器根据敏感元件的工作原理主要分为电阻型[12]柔性传感器和电容型[13]柔性传感器。

2.1 电阻型柔性传感器

在种类繁多的柔性传感器中，电阻型柔性传感器的应用非常广泛，尤其是电阻应变式柔性传感器。这类传感器的工作原理是基于电阻应变效应，当导电纤维或者导电织物在外力作用下发生机械形变(压缩或拉伸)时，其电阻值随之变化，引起传感器中电路的电流变化，通过一定的函数关系和模数转换，就可以得到材料机械形变。通常用灵敏系数(gauge factor)表征电阻式应变传感器的灵敏度K=ΔR/(Rε),其中，K为灵敏系数，ε为形变量，ΔR/R为电阻变量。现以金属类导电纤维为例介绍其工作原理。

如图1所示，l为导电纤维轴向长度，r为横向半径，ρ为电阻率，则其电阻相对变化表示为

式中E为材料的弹性模量，ε为材料的应变，u为材料的泊松比。材料的灵敏系数为K=1+2u+λE。不同材料的灵敏系数有一定差别，在制备传感器时，应该选择合适的传感材料。

图1 金属类导电纤维在力F作用下的拉伸示意[14]

2.2 电容型柔性传感器

电容型柔性传感器的工作原理是利用力学量变化使得电容器中其中的一个参数发生变化，进而引起电容的变化，从而实现信号变换[15]。

电容型柔性传感器包括3个可变参数，忽略边际效应时，电容器的电容C0表示为C0=εS0/d。其中,S0为极板遮盖面积，d为极板距离，ε为介电常数。

基于导电纤维的电容型力学传感器通常是变极距型电容型传感器，即通过改变极板之间的距离d来改变传感器的电容。Lee J[16]将聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为介质层涂覆在导电纤维表面，并将2个PDMS涂覆的纤维垂直叠加，成功地制备出一种十字交叉纤维状电容式传感器。所得到的压力传感器具有较高的灵敏度(0.21 kPa-1)，在毫秒(ms)范围内的响应时间非常快，在超过10 000个周期内具有很高的稳定性。而导电织物可以和夹层电介质通过多层结构组装成电容型柔性传感器。与电阻型柔性传感器相比，电容型柔性传感器中具有动态响应特性好、可重复性强等特点。

3 基于导电纤维柔性传感器的应用

不同柔性材料制备的柔性传感器的应用领域各不相同，如柔性光学传感器通过光纤断裂后光信号的变化来判断战场上士兵的受伤部位和程度;柔性温度传感器利用热敏电阻感应环境中的温度变化。传感器的重要功能就是信号的探测和传输，因此导电性能优良、灵敏度高的导电纤维对于传感器的开发是非常重要的;加之导电纤维的柔韧性、可纺性、稳定性等特性，使得基于导电纤维的柔性传感器在智能纺织品领域的应用尤为重要。基于纤维或织物形态的柔性传感器能织入纺织服装中，或叠层在人体皮肤上，用于健康监测；安装在人体关节部位，实现人体的运动监测；与电脑连接实现智能的人机交互。

3.1 健康监测

基于导电纤维的柔性传感器因其质地柔软并且拉伸性能良好，可以直接贴合在人体皮肤上，或织入纺织服装中，用于人体健康监测。高灵敏度的传感器可以检测到由于血流、脉搏和呼吸导致的微小皮肤应变，将这些人体信息数字化后用于健康的分析，如血压、呼吸率和心跳等。

蔡倩文[17]将不锈钢丝、铜丝、镀银纤维等金属导电纤维在电脑横机上试织了纬平针和满针罗纹的柔性传感针织试样，研究了不同导电纤维和不同针织组织的等效电阻变化规律，并利用针织柔性传感试样进行了呼吸测试，发现镀银纤维满针罗纹织物的稳定性和透气性最好，其织物能真实感应穿着者的生理指标。Toan D等人[18]以高强度、高柔韧性的可纺性CNTs纱线为导电丝，石墨为电极，以及轻质、可回收和生物降解的纸张作为柔性衬底，不使用任何有毒化学物质，制备了一种用于医疗保健方面的柔性传感器。这种传感器可以舒适地贴在人体皮肤上，实时检测人体呼吸，监测呼吸系统疾病。在进一步的研究中，Dinh T在同一传感器上集成了温度检测功能，它可以使用非接触模式测量体温。

3.2 运动监测

随着科技水平的提升，越来越多的运动爱好者开始采用科学的运动方式。美国运动协会的一项研究调查发现，经常运动的人，有86 %的共同习惯是定期添置或更新运动装备，这些运动者希望能在运动中实时监测自己的运动情况，而这些运动装备的核心系统就是柔性传感器。基于导电纤维的柔性传感器穿戴性能好、质量较轻，能在监测运动者的腹部呼吸、关节运动、心律变化等信息的同时而不影响其运动体验。

王燕等人[19]将石墨烯导电纤维编制成导电织物，将其粘接在聚合物和医用胶带复合膜上，组装出一种柔性、耐磨的应变传感器。当外力作用于传感器时，传感器网络中会产生高密度裂纹，导致电流通路减少，电阻增大，进而运动信号被记录下来。这种传感器具有超轻、灵敏度较好、可逆性高、易于制造、易于跟踪人体皮肤变形等特点，可以用来精确监测一些细微的人体运动，包括握拳、发声、表情变化、眨眼、呼吸和脉搏等。谢娟[20]采用纬编针织技术将镀银尼龙导电纱线和棉纤维、不锈钢混纺纱线织成柔性针织传感织物，分析了织物的双向拉伸力电性能并建立了相应的模型，并研制了一款智能T恤和智能护腕，实现对人体肢体运动的识别和监测。两种产品分别用于监测腹部呼吸和肘、膝关节的运动情况，稳定性好，滞后性小。Atalay A[21]设计了一种以导电针织物为电极，硅弹性体为介质的柔性传感器。这种传感器将同轴电缆的导线与热塑性薄膜传感器封装连接，具有高线性度，低迟滞性等特点，可集成在手套上用于监控手指运动。

3.3 人机交互

人机交互是指用户和系统通过一定的交互方式完成信息交换，系统可以是机器也可以是计算机软件。随着计算机技术的发展，人们使用的交互设备不再仅仅是键盘或者鼠标，而可以是智能的可穿戴设备。基于导电纤维的柔性传感器能够在这些可穿戴设备中用作输入装备，用户穿戴上这些智能设备后发出指令，通过计算机程序就可以驱动智能机器人、智能手套、人造肌肉等智能产品。

张乃中等人[22]用腈纶和银纤维为主体材料，结合控制芯片和计算机编程，利用微电流触控原理，开发了一种可演奏音乐的电子智能服装。当用户通过触碰T恤衫上的导电织物触点时，传感器获取微电流信号汇集到芯片上，通过USB接口传递给计算机，实现对软件的操控来控制游戏或演奏音乐。王刚[23]将镀银锦纶丝以添纱方式制成了针织柔性传感器，并运用针织全成形技术，将传感器与手套结合在一起，开发了一种便于脑卒中患者穿戴的开放式半掌手套。手套指尖掌面处的镀银锦纶添纱组织与导线、灯泡、电源相连，使得病人对指时，对应的灯泡发光，以此来实现评定患者的对指功能。用万用表采集病人手部活动时的电阻变化，可以得到病人手腕的弯曲角度、手指的弯曲程度，还可以通过电阻—时间曲线的波形频率反映病人手部的活动快慢。这种智能手套能及时准确地评定患者手功能状况，有助于医生制定合理的康复训练方案，促进患者手功能的恢复。Gong S等人[24]将聚苯胺颗粒掺杂到金纳米纤维薄膜中，制得了一种导电性优异、灵敏度高、耐久性好的应变型柔性传感器贴片，乳胶封装后用于防水的智能手套系统。这种智能手套可以和现有的无线电路直接接口，允许为人类手指远程控制机器人手臂，有利于执行外科手术操作或一些人类无法完成的精细化和危险工作。

4 结 论

随着人们对各种功能纺织品的需求越来越高，多功能的智能纺织品展现出巨大的市场前景，而作为智能纺织品的核心部件，柔性传感器将对其未来功能发展产生非常重要的影响。而柔性传感器的主体材料决定了其应用领域，其中，导电纤维作为柔性传感器重要的主体材料之一，可以使传感器保持良好的柔韧性，结构稳定性性，对应力应变响应灵敏。基于导电纤维的柔性传感器能与纺织品服装充分结合，具有质量轻、柔韧性好、安全舒适等其他传感器所不具有的优良特性。为了使柔性传感器能更好的应用于智能纺织品，还应该考虑产品的耐洗性、耐晒性、穿戴舒适性等综合性能。目前国内外大多使用的是易制备、灵敏度高的镀银金属类导电纤维和聚合物涂层的有机导电纤维来研制柔性传感器。这种涂层类导电纤维开发的柔性传感器的稳定性有待进一步提高。而对于工艺复杂、成本较高的CNTs、石墨烯等碳系导电纤维和纳米级导电纤维的研究较少，还未能大规模生产应用，未来应着重于高性能的导电纤维开发，研究导电纤维和其他柔性材料复合制备的柔性传感器，取长补短。综上所述，导电纤维在智能纺织品领域具有很大的应用潜力，柔性传感器在智能纺织品的广泛应用，将是高科技纺织产业发展的方向。