一种基于碳化工艺的三维编织结构应变传感器的制备方法技术

本发明专利技术公开一种基于碳化工艺的三维编织结构应变传感器的制备方法，属于传感器技术领域，以聚丙烯腈长丝为原料，利用四步法编织技术将其编织成三维编织物，将所述三维编织物进行预氧化处理，再进行碳化处理，得到碳化编织物，利用导电银浆将所述碳化编织物与铜导线相连，进行封装处理，得到基于碳化工艺的三维编织结构应变传感器，柔性基体封装工艺在保证碳化织物和导电网络结构不受拉伸破坏的同时，能赋予织物良好的拉伸性和回弹性，所制备的传感器具有最优异的应变传感性能并能很好应用于人体运动监测。人体运动监测。人体运动监测。

【技术实现步骤摘要】
一种基于碳化工艺的三维编织结构应变传感器的制备方法


[0001]本专利技术属于传感器
，尤其涉及一种基于碳化工艺的三维编织结构应变传感器的制备方法。

技术介绍

[0002]应变传感器的结构和种类非常丰富，可以根据其测量原理、敏感材料、传感器类型等进行分类。以下是一些常见的应变传感器结构和种类：电阻应变计(Strain Gauge)、压阻式应变传感器(Piezoresistive Strain Transducer)、压电应变传感器(Piezoelectric Strain Transducer)、光纤应变传感器(Fiber Optic Strain Transducer)、电容式应变传感器(Capacitive Strain Transducer)、热敏电阻式应变传感器(Thermistor
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based Strain Transducer)、生物应变传感器(Biomedical Strain Transducers)，这些应变传感器在不同的领域和应用中有各自的优势和局限性。选择应变传感器时，需要考虑应变的类型、测量范围、精度要求、环境条件等因素。
[0003]压电应变传感器是基于压电效应工作的传感器。压电效应是指某些晶体材料在受到机械应力时会在其内部产生电荷，而在其两端加上电场时，这些电荷会导致晶体形变。压电效应最常见的应用是压电石英晶体，即压电石英钟的振动。压电应变传感器的工作原理是在弹性材料上粘贴压电应变片。当受到机械应力时，应变片会产生形变，从而改变其内部的电荷分布，导致晶体表面的电场发生改变，这种变化可以被测量并转换为应变的信号。然后，通过适当的电路转换，可以将这种信号转换为电压信号，用于测量应变。压电应变传感器在许多应用中都有重要的作用，包括物理、化学和生物实验室中的力学测量，也包括机械设备的振动监测，以及地震和结构健康监测等领域。其优点包括高灵敏度、快速响应、抗干扰能力强、易于集成等。然而，压电应变传感器也存在一些局限性，包括动态范围有限、线性度不易控制、环境适应性差等。因此，在选择和应用压电应变传感器时，需要根据具体的应用需求进行评估和选择。
[0004]电容式应变传感器由一个平行板电容器组成，该电容器由两个适形电极以及一个介电层组成，其可拉伸介电材料通常被用作传感器的柔性支架，如橡胶、热塑性弹性体(TPE)、共聚酯(Ecoflex)、聚酰亚胺(PI)、聚氯乙烯(PVC)以及PDMS等。由于金属薄膜与弹性体这两个叠加层之间杨氏模量的巨大差异，致使拉伸时出现裂纹等不均匀性降低了其导电性。故传统电容式传感器是通过改变几何结构来设计不同的传感器，如网格结构、泡沫结构、螺旋状结构以及微纳结构等。此外，还有通过将碳纳米管(CNT)、石墨烯(GO)、金属纳米线等导电材料混入聚合物基体中来提高电极的柔性，对可穿戴电子设备的需求已经让电阻式应变传感器的结构从易碎型变为可拉伸型。
[0005]压阻效应是指当材料受到机械应力时，其电阻值会发生变化的现象。这种现象是由于材料内部的原子、分子或离子的排列发生改变，导致了材料的电阻率发生变化。压阻效应可以用于各种传感器和测量设备中，例如电阻应变计、压力传感器、加速度计等。在电阻应变计中，压阻效应被用于将机械应力转换为电压信号。当应变片受到拉伸或压缩时，其电
阻值会发生变化，这种变化可以通过测量电阻值的变化来确定应变的大小。压阻效应的灵敏度和响应速度取决于材料的特性和应变的大小。一些常用的压阻材料包括硅、石墨烯、金属、金属氧化物等。在选择压阻材料时，需要考虑其电阻率、温度系数、尺寸稳定性等因素。
[0006]纺织基应变传感器是一种基于纺织品的应变传感器，具有许多优点。以下是一些纺织基应变传感器的优势：
[0007]1、柔性和可穿戴性：纺织基应变传感器采用柔性和可穿戴的纺织材料，可以与皮肤直接接触，具有良好的舒适性和适应性。这使得纺织基应变传感器在医疗保健、运动监测和可穿戴电子设备等领域具有广泛的应用前景。
[0008]2、制造成本和生产效率：纺织基应变传感器的制造成本相对较低，生产效率高。这使得纺织基应变传感器在大规模生产和低成本应用中具有竞争优势。
[0009]3、集成度高：纺织基应变传感器可以与其他纺织品和电子元件集成，形成多功能纺织品，提高整体产品的性能和实用性。
[0010]4、可定制性：纺织基应变传感器可以根据不同的应用场景和需求进行定制，以满足特定的应变测量和信号传输需求。
[0011]5、环境适应性：纺织基应变传感器可以在各种恶劣环境中使用，如高温、低温、潮湿、高湿度等。这使得纺织基应变传感器在某些特殊应用场景中具有优越性。
[0012]6、电磁兼容性：纺织基应变传感器的制造材料和结构设计可以降低电磁干扰对其性能的影响，提高其在电磁环境中的稳定性和可靠性。
[0013]然而，纺织基应变传感器也存在一些局限性，如抗机械损伤能力较弱、长期稳定性和耐用性有待提高等。

技术实现思路

[0014]基于目前应变传感器的设计过程中，灵敏度的提高和应变范围的扩大往往原理相悖，设计制备兼具高灵敏度和强拉伸性的应变传感器存在相当挑战的问题。本专利技术提出基于碳化工艺的三维编织结构应变传感器的制备方法，碳化材料内部碳系导电网络发达，与三维编织物空间交织结构相结合，能提供较高的应变传感灵敏度；同时，Ecoflex
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50封装工艺在保证碳化织物和导电网络结构不受拉伸破坏的同时，能赋予织物良好的拉伸性和回弹性，有望解决目前应变传感器的性能限制问题。
[0015]为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于碳化工艺的三维编织结构应变传感器的制备方法，包括以下步骤：以聚丙烯腈(PAN)长丝为原料，利用四步法编织技术将其编织成三维编织物，将所述三维编织物进行预氧化处理，再进行碳化处理，得到碳化编织物，利用导电银浆将所述碳化编织物与铜导线相连，进行封装处理，得到基于碳化工艺的三维编织结构应变传感器。
[0016]进一步地，三维编织物的排纱规格为3*3、4*4、5*5或3*5。
[0017]进一步地，排纱规格4*4的三维编织物的编织角为40
°‑
60
°
。
[0018]进一步地，排纱规格4*4的三维编织物的编织角为40
°
、50
°
或60
°
。
[0019]进一步地，预氧化处理的温度为260℃，预氧化处理的保温时间为2h，升温速率为5℃/min。
[0020]进一步地，碳化处理在惰性气体环境中进行，碳化处理的温度为800
‑
1000℃，碳化
处理的保温时间为2h，升温速率为5℃/min。
[0021]进一步地，碳化处理的温度为800℃、900℃或1000℃。
[0022]进一步地，所述封装处理为采用柔性Ecoflex
TM
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50进行封装处理。
[本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于碳化工艺的三维编织结构应变传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：以聚丙烯腈长丝为原料，利用四步法编织技术将其编织成三维编织物，将所述三维编织物进行预氧化处理，再进行碳化处理，得到碳化编织物，利用导电银浆将所述碳化编织物与铜导线相连，进行封装处理，得到基于碳化工艺的三维编织结构应变传感器。2.根据权利要求1所述的基于碳化工艺的三维编织结构应变传感器的制备方法，其特征在于，所述三维编织物的排纱规格为3*3、4*4、5*5或3*5。3.根据权利要求2所述的基于碳化工艺的三维编织结构应变传感器的制备方法，其特征在于，排纱规格4*4的三维编织物的编织角为40
°‑
60
°
。4.根据权利要求3所述的基于碳化工艺的三维编织结构应变传感器的制备方法，其特征在于，排纱规格4*4的三维编织物的编织角为40
°
、50
°
或60
°
。5.根据权利要求1所述的基于碳化工艺的三维编织结构应变传感器的制备方法，其特征在于，预氧化处理的温度为260℃，预氧化处理...

【专利技术属性】
技术研发人员：张曼，冯宇，权英，李甫，费鹏飞，张爱琴，刘淑强，贾潞，张钰晶，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：