关键词：
石墨烯
碳纳米管
传感
电热
针织
摘要：
随着我国纺织经济转向高质量发展新阶段,人民群众对美好生活的需求日益增长,全球气候治理形势十分紧迫,高性能、多功能、轻量化、柔性化为特征的功能纺织新产品的相关研究已然成为各国科研热点。石墨烯、碳纳米管拥有良好的力学性能、导电性能和热学性能,将其与纺织品复合成功能柔性应变传感电热器件可以应用在运动检测、医疗健康等各项领域。本课题以纬平针组织、罗纹组织、网眼组织、毛圈组织的棉、涤棉针织物为基底,通过安全高效的控压喷涂法引入石墨烯和碳纳米管,制备了高导电、优良的传感性能和电热性能的织物基应变传感电热器件,并在人体模拟实验方面对其进行探索,同时进一步对其电热耦合现象进行分析。主要研究内容如下:（1）编织纬平针、罗纹、网眼、毛圈四种不同组织结构的棉、涤棉织物,并以此为基底采用控压喷涂法制备石墨烯/碳纳米管功能针织物,通过扫描电镜、透射电镜、电子能谱分析、傅里叶红外光谱、拉曼光谱、X射线衍射、热重分析多种仪器和测试方式确定石墨烯、碳纳米管材料成功以三维导电网络结构吸附在织物上。对复合前后织物的顶破、断裂拉伸等力学性能、透气性能进行表征,实验结果显示复合后织物形变范围仍旧保持85%及其以上,透气率均达到200 mm·s-1以上。研究石墨烯/碳纳米管功能针织物的远红外性能、热学性能、电学性能。表征结果显示:石墨烯/碳纳米管功能针织物具备一定的远红外性能,不同组织结构会使织物表现出不同的热学特征和电学特征,所得功能针织物电导率均在30 S·m-1以上,最高可达206.40 S·m-1。其中,材质方面棉织物表现更为优异,组织结构方面毛圈组织和罗纹组织的热学性能和电学性能更为稳定出色。（2）通过数字万用表联立织物电子强力仪,对比了8种石墨烯/碳纳米管针织柔性功能器件的传感性能,实验结果表明:不同组织结构的柔性应变传感器沿织物纵横向拉伸时电阻变化趋势大致相同,电阻变化率随着伸长率的增大而增大,相同形变量时,横向拉伸的电阻变化率会高于纵向拉伸。8种柔性应变传感器的灵敏度与线性度表现优异,在横纵两个方向的灵敏度均高于300,其中横向拉伸时柔性应变传感器线性度更好,并能在多次重复循环实验中表现出高品质的稳定性、传感性、可重复性,和轻微的电阻向上迁移以及滞后性现象,拉伸形变量越大,滞后性越显著。此外,对柔性应变传感器的手指、手肘、膝盖三种人体关节运动进行监测,模拟结果能反映不同关节运动的电阻变化曲线。（3）通过热红外成像仪联立直流稳态电源,观测石墨烯/碳纳米管针织柔性功能器件的电热性能,结果表明:石墨烯/碳纳米管多功能器件最高稳态温度可由通电电压精准控制且快速响应,表面温度和升温速度会随电压的递增稳步升高。棉纺织基底柔性电热器件所能达到的最高稳态温度会高于涤棉纺织基底。同时,组织结构差异会对柔性电热器件的电热性能表征造成较大影响,在四种组织结构中,罗纹结构柔性电热器件的电热灵敏度最强,在10 V的电压条件下,涤棉罗纹组织的电热灵敏度可以达到2.78,网眼组织、毛圈组织结构电热灵敏度较为相近,纬平针组织的电热灵敏度则较为普通,此外当电压施加方向与织物横向垂直时织物电热性能表现更佳。验证了在施加电压方向相同和功率相同的条件下,不同组织结构的柔性电热器件的发热温度表现不同的原因主要在于组织结构导致的柔性电热器件内部导电通路与传热路径的差异。涤棉纺织基底的柔性电热器件的温度—功率关系拟合公式的线性拟合度要高于棉纺织基底,且大多数柔性电热器件的线性拟合度可达到0.999,可以为实际生产应用提供相应依据。在5～10 V有效测试电压范围内,柔性电热器件具有很好的长期循环工作稳定性,发热效率表现优良。（4）通过X射线三维显微镜观测针织物线圈的几何参数,根据NURBS曲线理论建立线圈中心线轨迹,使用Rhino 3D建模软件建立纬平针组织三维物理模型,将其导入ABAQUS和COMSOL有限元软件,分析电热耦合过程和传热过程。采取实验的方法将计算温升值和试验温升值进行对比,得出误差在合理范围以内,证实了织物电热模型在模拟织物电热性能时数值结构的准确性和基于有限元方法分析该过程的可行性。本课题制备了石墨烯/碳纳米管功能针织物并对其功能性等进行了系统研究,同时还建立了织物有效数学模型,对功能性纺织品的理论研究和实际生产具有较大的指导意义。
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