界面增强双网络水凝胶织物的制备及性能

水凝胶和织物的复合可有效解决水凝胶力学性能差的问题,然而水凝胶和织物之间的弱界面强度,会影响其实际应用。本文利用聚丙烯酸(PAA)接枝弹性棉织物(PAFB)与聚乙烯醇(PVA)-聚丙烯酰胺(PAM)双网络水凝胶制备得到界面强度增强的PAM-PVA-PAFB柔性传感器。测试结果表明,PAM-PVA-PAFB具有优良的机械性能;含有的植酸(PA)和乙二醇(EG)使其具有优异的抗冻性;能够识别1%~100%的应变,可应用于人体关节运动和面部表情的检测;PAA的引入,使水凝胶和织物之间以共价键形式复合,有效提升了界面强度,减少了两者之间的滑移。因此,PAM-PVA-PAFB应变传感器在可穿戴电子设备领域中有着巨大的应用潜力。

CMC/PAM/LiCl复合离子导电水凝胶及传感性能

柔性力敏传感器能够将外界的机械刺激转换为相应的电信号,在可穿戴电子设备、电子皮肤、智能机器人等领域得到了广泛的应用。为满足以上应用需求,材料需要具有可变形、拉伸、回弹、导电等性能、较高的灵敏度及较好的重现性。因此,基于双网络结构,以羧甲基纤维素(CMC)与聚丙烯酰胺(PAM)为原料,设计并制备了一种离子水凝胶,并且,探究了交联剂及无机盐含量对水凝胶力学性能及导电性能的影响。结果表明,二者之间的内在相互作用赋予了水凝胶较好的力学强度(150 kPa)及拉伸/回弹性(可压缩/拉伸循环1 000次以上),同时具有较高的透明度,其值为69.1%。将其用作组装压力传感器,具有较高的灵敏度(S=7.13 kPa-1)及较好的重现性(1 000次);将其用作组装应变传感,其仍可以表现出及时的响应(50/60 ms)及较好的稳定性(1 000次)。因此,水凝胶有望应用于人体及智能机器人的活动监测及人机界面等领域。

交叉学科教学实践——可用于低温环境的可穿戴“电子皮肤”

让数字化走进生活一直是人类追求的目标。可穿戴“电子皮肤”横空出世,已被广泛应用于人体运动监测、健康医疗、人工智能等各个领域。为了探索化学化工与生物医学学科的交叉融合人才培养模式,本实验设计并制备了结冷胶/聚丙烯酰胺双网络导电水凝胶,阐明了双网络水凝胶的构建原理,并将其应用于可穿戴式柔性传感器监测人体运动和生理信号。该教学实验将课题组已发表的相关科研成果与本科教学实验有机结合,由浅入深地向学生介绍这种新兴电子产物的制备及应用,激发了学生的学习兴趣和创新意识。

单模-空芯-单模光纤微结构应变传感特性研究

设计了一种单模-空芯-单模光纤微结构应变传感器,利用光束传播法进行仿真分析,建立了波长-应变关系模型,并对其应变特性、温度特性进行实验研究。实验结果表明,在0~340με范围内的拉伸应变灵敏度和-340~0με范围内的压缩应变灵敏度分别高达-4.19和-4.26 pm/με,线性度分别为0.9971和0.9981;在20~70℃范围内的温度灵敏度为9.6 pm/℃,线性度达到0.9909。该传感器制作简单且具有较高的应变灵敏度,可以实现应变测量。

用于应变传感器的自愈合抗冻离子水凝胶

近年来,导电水凝胶在电子驱动器、医疗监测传感器及可穿戴设备等领域的应用备受关注。然而,多数凝胶机械强度低、寿命短、抗冻性能差,从而导致低温下无法使用。为了解决该问题,以聚乙烯醇、离子液体1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐和植酸为原料,在水与二甲基亚砜(DMSO)二元溶液中借助多重氢键及离子基团间的静电作用实现了超分子自组装,制备出一种可用于应变传感的自愈合、耐低温多功能离子水凝胶。研究发现在凝胶中引入DMSO,凝胶表现出优异的抗冻能力;同时,调节DMSO的含量可优化凝胶的强度和韧性,当DMSO体积分数为40%时,最大拉伸强度和断裂伸长率分别可达4.43 MPa和869.1%。该离子水凝胶在低温应变传感器、智能可穿戴响应元件等领域展现出较好的应用潜力。

芳纶纳米纤维/碳纳米管复合气凝胶传感器的制备及其性能

针对导电气凝胶结构稳定性差导致传感性能不佳的问题,提出以去质子化方法制备芳纶纳米纤维(ANFs),并与改性碳纳米管(CNTs)进行共混,得到具有高压缩回弹性、高灵敏度的复合气凝胶传感器,并对其热学性能、力学性能和传感性能进行表征。实验结果表明:ANFs与CNTs之间混合均匀,并通过氢键连接形成了稳定的内部网状结构,气凝胶能承受50%的压缩比,并在100次的压缩循环后,完全恢复到初始状态;更重要的是,复合气凝胶在压缩循环中展现出稳定的电信号输出以及0.1 kPa的超低检测极限,因而在柔性应变传感器领域具有较大的应用潜力。

一维结构柔性应变传感器在智能纺织服用品中的应用进展

一维结构柔性应变传感器具有优异的可集成性、适形性和灵活的结构变化等特点,在智能纺织服用品的开发与应用方面具有很大潜力。通过对纤维和纱线制备一维结构柔性应变传感器的工艺及其优缺点的介绍,综述近年来纤维型和纱线型一维结构柔性应变传感器在智能纺织服用品设计与应用中的研究进展,分析其在智能可穿戴应用领域中存在的问题。研究表明,一维结构柔性应变传感器在智能纺织服用品中的应用前景广阔,未来研究人员可不断优化和提升传感器的性能和制备工艺,推动一维结构柔性应变传感器在智能纺织服用品的实际应用。

面向航空发动机的高精高频动应变测量系统

高速高精动应变监测技术是实现航空发动机旋转部件故障早期诊断目标的关键技术。提出了一种基于相位解调技术的光纤法布里-珀罗(Fabry-Pérot,F-P)动应变测量系统,实现了在高频率条件下的高精度动应变测量。实验结果表明:系统中F-P传感器对应变的灵敏度可以达到100.955 pm/με,约为一般光纤FBG应变传感器(应变约1 pm/με)的100倍;测量频率可以达到10 kHz;在对多种不同标准激振频率进行测量时,误差不超过1.1%;另外测量系统探头能耐受1200℃的高温,因而在未来航空发动机旋转部件故障监测、性能测试方面都具有较好的应用前景。

高速动车组横梁应变场光纤测量与反演研究

针对高速动车组车底底架横梁的应变场反演问题,基于模态叠加法和传感器优化配置理论,提出一种根据部分测点的实测单向应变反演结构空间应变场的方法。以结构的应变模态为输入,以模态坐标独立性为目标,基于信息熵理论建立了传感器优化配置的数学模型,再根据模态坐标和振型采用正则化方法反演结构应变场。仿真计算结果表明,无噪声干扰下,反演的精度较高,最大均方误差为9.87×10~(-12),并且正则化方法可以有效抑制噪声对结果的影响。搭建了基于光纤光栅传感系统的测试试验台,基于实测应变数据和模态结果反演应变场,结果表明,反演后的应变幅值相对误差带为1.21%~10.79%,反演数据和实测数据的均方误差带为0.80~3.69。该方法能够准确识别结构的模态坐标,为获取高速列车关键结构的应变场分布提供参考。

混凝土内部受压力学性能试验与本构分析

为了精准测量受压混凝土内部应力-应变关系,通过在丙烯酸树脂杆上布置电阻式应变片,测量得到混凝土试块内部应变,研发大量程微型土压力盒实现混凝土内部应力测量。将相关测试装置预埋在混凝土试块内部,完成混凝土试块单轴压缩试验,获得精准的混凝土内部应力-应变关系数据。结果表明,混凝土内部本构模型相对于传统本构模型具有良好的延性,且峰值强度远高于传统本构模型。结合国内外几种具有代表性的混凝土本构方程对试验进行了有限元模拟,针对应力-应变曲线、峰值强度及峰值应变进行了对比分析。分析结果表明:实测的混凝土内部应力-应变曲线合理准确,相关测量方法具有良好的精度和可行性;基于我国规范模型的有限元模拟结果与试验结果吻合最好,可进一步推广使用。

基于取向纤维基底和图案化双相金属层的高灵敏应变传感器

为了提高液态金属基应变传感器的灵敏度,研究了一种高灵敏度、可拉伸的应变传感器,该传感器由取向的静电纺热塑性聚氨酯纤维基底和图案化双相金属传感层构成。以液态金属Galinstan为“岛”,固体金属银为“海”,构建了图案化双相金属传感层。银“海”可阻止连续的液态金属导电路径的形成,基于银导电区域的裂纹扩展机制,传感器的灵敏度显著提高。此外,纤维取向(水平或垂直)削弱了在受力时纤维的重新排列,增强了传感层的变形。结果表明,对于单一液态金属层或Ag层组成的传感器,基底纤维垂直取向与随机排列比较,灵敏度分别提高1.09倍和33.19倍。最终制成的基于垂直取向纤维基底和图案化双相金属层的应变传感器具有超高的灵敏度(灵敏度系数高达952.20)和宽传感范围(高达59.33%)。这种设计有望在可穿戴设备中显示良好的应用潜力。

聚吡咯/氨纶长丝的应变传感性能与应用

为制备应用于运动监测方面的柔性拉伸应变传感器,探索拉伸型应变传感材料自身长度及拉伸应变对运动监测效果的影响,将表面聚合吡咯的氨纶长丝裁剪成不同长度进行循环拉伸测试,通过扫描电子显微镜和红外光谱仪对氨纶长丝和聚吡咯/氨纶长丝的微观形貌及化学结构进行表征,并测试分析了不同长度的聚吡咯/氨纶长丝在不同速率下拉伸不同应变时的电力学性能。结果表明:通过原位聚合可使聚吡咯完全覆盖氨纶长丝表面,所得聚吡咯/氨纶长丝在500%的应变范围内应力最高可达21.0 MPa;灵敏度值在0%~63%和118%~243%应变范围内分别为1.82和43.3,在800 mm/min速率下拉伸10%应变的响应时间为200 ms。为探索聚吡咯/氨纶长丝与实际应用的匹配性,测试了不同长度聚吡咯/氨纶长丝在连续循环拉伸过程中的电阻变化,归纳其电阻变化特性,并将有效长度1 cm的聚吡咯/氨纶长丝固定在食指第2关节处以监测手指关节的重复弯曲。

基于LabVIEW的大型起重机应变监测系统的设计

在使用中的大型起重机的应变值的波动是判断大型起重机是否可靠的重要指标,针对如何监测在用大型起重机危险点的应变值,设计了大型起重机专用应变数据采集系统,给出了系统硬件总体设计方案,软件系统采用广泛应用于虚拟仪器开发的工具LabVIEW,开发出一种应变传感器数据采集系统,能够远程高效采集多个应变传感器传输的数据。该应变数据系统的主要模块包括传感器以及采集系统WiFi通信模块的参数设置、对传感器所传输的采集数据的显示以及对所采集数据的保存和记录等。该数据采集系统可以对多个应变传感器传输的数据同时进行采集和传输,也可应用于不同工况下应变传感器传输的实时数据,该系统具有显示信息多样、数据准确、操作简单便捷等优点。

基于原位冷冻界面聚合法的纱线传感器制备及其应变传感性能

为解决传统传感器柔性差、制备成本高等问题,以涤纶包氨纶纱为基材,通过聚多巴胺修饰和聚吡咯的原位冷冻界面聚合制备了具有快速响应、稳定的电力学性能和循环耐用传感性能的柔性纱线应变传感器。利用扫描电子显微镜、X射线能谱分析仪、傅里叶红外光谱仪对导电纱的微观形貌和化学结构进行表征,探究了不同拉伸应变下导电纱的电阻变化性能。结果显示:在吡咯单体与三氯化铁的量比为1的最佳配比下,在不同的拉伸范围、拉伸速度下,纱线传感器电阻变化稳定,拉伸形变小于6%时,灵敏度达4.039;在10%应变下,响应时间为166.67 ms;此外,纱线循环拉伸1000次后仍具有优异的稳定性。导电纱可通过编织、针织或刺绣等方式与织物相结合,实时监测人体关节活动,广泛应用于人体运动识别和远程医疗服务等领域。

胎—路接触应力传感器的信号去噪方法研究

为了解决应变传感器在测量胎—路接触应力信号时的噪声干扰问题,提出一种基于自适应噪声完备集合经验模态分解(CEEMDAN)和小波软阈值的胎—路接触应力传感器的信号去噪方法。首先,将胎—路接触应力信号CEEMDAN分解为一系列从高频到低频排列的本征模态函数(IMF)分量;再根据能量值法判定出噪声主导IMF分量和信号主导IMF分量,并对噪声主导IMF分量进行小波软阈值去噪;最后,将去噪后的IMF分量和信号主导IMF分量进行重构,得到去噪后的胎—路接触应力信号。将所提方法分别与CEEMDAN去噪方法、小波软阈值去噪方法进行比较,结果表明:所提方法去噪后信号的信噪比(SNR)分别提高了33%和343%,均方根误差(RMSE)分别降低了64%和252%,说明所提方法的去噪效果更佳。

基于纤维素膜的三氟苯甲醛改性聚乙烯醇水凝胶柔性传感器的制备及性能研究

以对甲苯磺酸为催化剂,将疏水单体3,4,5-三氟苯甲醛(TBA)通过缩醛反应接枝到聚乙烯醇(PVA)侧基中,通过溶剂置换策略激活内部疏水结构,从而制备一系列高拉伸抗溶胀聚乙烯醇水凝胶。对合成的水凝胶进行了拉伸实验、溶胀实验、含水量和传感性能测试。结果表明,随着三氟苯甲醛的含量由3%增加到4%时,水凝胶的拉伸性能产生了明显提高,拉伸强度达到1.3 MPa,断裂伸长率达到985%;当含量由4%增加到5%时其力学性能趋于稳定,不再发生明显变化。三氟苯甲醛的引入显著提高了PVA水凝胶的抗溶胀性能和疏水性。PVA-TBA水凝胶在水中浸泡5天后,溶胀率基本维持在0%,并且其含水量随着TBA含量的增加呈现下降趋势。将改性水凝胶与纤维素膜结合组装成柔性应变传感器,其不仅可以用作拉伸传感器对关节运动如手指弯曲、手腕弯曲和膝盖弯曲等进行检测,也可用作压力传感器对压力准确试别。综上三氟苯甲醛的引入显著改善了聚乙烯醇水凝胶的力学和抗溶胀性能,为水下传感器基体材料提供了一个可靠的选择。

纤维素基碳材料应变传感器的制备及性能

柔性应变传感器作为未来可穿戴传感设备和人机交互系统的重要组成部分,其成本控制、简易制备流程以及穿戴舒适性已成为该领域的重要关注点。以生物质α-纤维素(CA)为原料,通过简单的碳化过程将其转化为具有良好导电性的材料CAC。利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)将其封装成柔性应变传感器,探讨分析了该传感器的应变传感行为、可重复性以及穿戴舒适性,并将其应用于人体运动监测。测试结果表明:该传感器具有0.05%~20%的应变传感范围,最高灵敏度可达3.38,在1000次循环后仍具有稳定的信号输出,并且能够监测人体的肢体运动以及细小的生理运动。除此之外,该传感器所表现出的良好透气性对提升可穿戴设备的舒适性具有重要意义。

AuNPs/CNTs/PDMS复合薄膜的制备及其导电性能研究

通过物理混合和原位还原的方法制备了纳米金/碳纳米管/聚二甲基硅氧烷(AuNPs/CNTs/PDMS)复合薄膜。扫描电子显微镜分析表明碳纳米管(CNTs)在PDMS中均匀分布。当CNTs含量为4%(wt,质量分数,下同)时,其与纳米金(AuNPs)形成相互连接的网络,复合薄膜具有导电性;CNTs含量为3%,AuNPs还原时间为8h时,复合薄膜灵敏度最高,应变系数为5.71。AuNPs/CNTs/PDMS复合薄膜具有良好的柔韧性和导电性,可广泛应用于柔性可穿戴设备。

基于TPU/CB/PA导电纱线的柔性传感器的制备与性能

为提高镀银尼龙纱线制备的柔性传感器的环境稳定性,提升传感器集成于服装的效率,本文提出新的设计理念:基于同轴湿法纺丝技术制得以尼龙(PA)纱线为芯层、聚氨酯(TPU)和炭黑(CB)复合材料为皮层的芯鞘结构的TPU/CB/PA导电纱线,使用此导电纱线在成品弹性带上缝制方波形、锯齿形两种重复图形,制备5种柔性应变传感器.文章探究了缝制图形的图案、数量、图形间距等参数对传感器性能的影响,结果表明:图案数量增加能提升传感器的稳定性和灵敏度;方波形传感器的稳定性优于锯齿形的;2#传感器样品在0%~10%应变内有良好的线性度和稳定性,具有呼吸监测的潜力.

弹性导电复合纤维的制备及其应变与温度传感性能

为满足柔性可穿戴传感器的多功能传感需求,实现应变和温度传感具有重大的意义。采用湿法纺丝技术制备聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)/银纳米线(AgNWs)/聚氨酯(PU)弹性复合导电纤维,研究其拉伸应变传感性能和温度传感性能。结果表明:当AgNWs质量分数为20%,(PEDOT:PSS)与PU质量比为1∶3时,纤维热电性能达到最佳,电导率为47.4 S/cm,塞贝克系数为13.8μV/K,功率因数为902.7 nW/(m·K^(2)),此外,该弹性导电复合纤维具有良好的力学性能,断裂伸长率可达800%,能够检测0%~90%的应变范围,并在100次循环拉伸/回复下依旧保持良好稳定性;同时可将其作为温度传感器,快速检测人体与环境温度。