近年来,可穿戴电子设备已成为焦点领域,特别是健康检测、运动监测等设备早已进入了人们的生活,并且电子纺织品逐渐成为了新一代可穿戴设备。
早在十多年前,香港理工大学的研究人员研发导电复合材料涂层织物,并发明了织物大应变传感器,借此实现了工业化生产和在运动检测中的应用。
近日,该团队对其进一步进行了应变传感机理研究,这项研究刊登在今年二月份的Composites Part A: Applied Science and Manufacturing期刊上,其中香港理工大学智能可穿戴研究所所长、纺织科技讲座教授陶肖明担任通讯作者。
导电织物以其制作简单、设计自由度大等优点,在电纺领域得到了广泛的关注。这次研究中,研究人员制备的导电针织物具有应变测量范围大、重复性好、应变敏感性好、抗疲劳性能好、杨氏模量低等优点。
研究人员建立了导电织物的机电模型,验证了模型的有效性,最大平均误差仅为 5.51%。印染织物及其传感机理模型不仅为纺织品导电织物的进一步设计、分析和优化奠定了基础,而且揭示了电子织物领域中较宽泛的感兴趣的物质现象。
可穿戴电子产品将电子功能集成到软基板中,与弯曲的三维可变形人体无缝接触。在柔软、可渗透和可变形的形式中,纺织品是各种导体的有利介质支撑,产生各种组件或设备,如织物电极、电路、传感器,以及能量收集、转换和存储系统。
这些年最时兴的医疗高科技产品,非可穿戴医疗设备莫属。可穿戴医疗设备中,小到眼镜、手环,大到衬衫、床垫,都可以跟踪跑步数据、判定跌倒是否造成伤害、报告糖尿病患者的血糖水平,监测住院病人的心率。
甚至有预言称,可穿戴设备将引发一场医疗革命,在健康管理、远程医疗等方面发挥不可估量的作用。
在实时医疗保健系统、人造电子皮肤以及人机交互界面等广泛应用中,导电织物已被证明是推动可穿戴电子产品发展的必要和有效手段。
导电织物可通过两种主要技术实现,即在纺织品上印刷导电材料或将导电纱线编织成织物结构。由于易于大规模制造和任意几何形状的导电元件的灵活设计,印刷技术已被广泛应用于织物衬底上。
为了获得良好的延展性(~500%)和弹性(~100%),许多人致力于在针织衬底上印刷导电材料。目前人们已经利用这种新型导电针织物制造了大量的电子元件,其中经常研究的是对施加机械位移刺激做出响应的织物应变传感器。
在一些实验工作中,报告的传感行为已经达到了与弹性传感器相当、甚至优于弹性传感器的水平,特别是在大变形下的疲劳寿命方面。
然而,与大量的相关研究相比,除了实验表征外,很少涉及感知机制。为了提高或优化作为应变传感器的导电织物的机电性能,需要从理论和实验两方面建立电阻与机械变形之间的关系。
因此,这个研究将碳纳米颗粒填充有机硅弹性体在弹性针织物上进行印刷,制成一种典型的印刷导电针织物。揭示了织物的传感机理,反映了导电针织物在拉伸拉伸下的电阻变化。所提出的方法和结果对于在印刷电子纺织品领域表征具有相当广泛范围的独特材料现象具有代表性。
图 | 碳纳米复合印花织物:(a) 丝网印花工艺及导电织物的真实图片;(b) 导电织物表面碳纳米复合材料的 SEM 图像(来源:Composites Part A: Applied Science and Manufacturing)
电子技术已被应用于纺织品中,导电织物具有透气性好、悬垂性好、弹性好等优点。然而,为了实现精确的、接近皮肤的可穿戴应用,基于基板和传感材料的机电耦合的传感机制也应得到充分的解决。
该研究通过在针织物基体上印刷导电纳米复合材料,制备了具有代表性的具有良好耐磨性能的印刷型导电针织物,包括应变测量范围大、机电响应重复性好等,高抗疲劳性和低杨氏模量,与人类皮肤相当。
图 | 印刷导电织物的电气和机电特性(来源:Composites Part A: Applied Science and Manufacturing)
测试结果表明,该传感器的应变灵敏度为 3.5,延伸率可达 60%。首先阐述了导电织物作为织物应变传感器的机电性能。然后基于导电复合材料的隧穿导电机理和传感区域的梯度应变分布,推导出导电织物传感器的传感机理和应变电阻模型。在确定参数的情况下,该模型被验证为有效的,最大平均误差仅为 5.51%。该模型为织物基导电织物的设计、分析和优化奠定了基础。
值得一提的是,所提出的导电织物和传感机构共同为纺织电子提供了一个可靠的选择,在设计导电柔性器件时具有很大的自由度,因为印刷轨迹可能在织物上具有任意方向,而不是遵循织物结构的纱线结构。
这个研究是由中国国家自然科学基金资助,并由上海市蒲江计划、中央高校基本科研业务专项资金、教育部纺织科学与技术重点实验室(东华大学)、由东华大学青年教师的初步研究经费共同资助。未来,这种导电织物可以使用在可穿戴设备中,实现更大的应用潜力。
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参考:
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