【摘 要】
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随着可穿戴电子设备的发展,智能纺织品由于其独特的感知、响应和反馈机制,在体育、军事、国防、航空航天等领域具有重要的应用前景。智能纺织品是以常规纺织品为载体,结合电子元件的新型纺织品,一般由传感器、执行器、数据处理、通信与电源等部分组成,而制备柔性的传感器及导电线路是智能纺织品功能实现的关键。传统的电子传感元件和导电线路与织物耦合性低,严重影响织物自身性能,而如何实现电子传感元件的柔性化及多功能化集
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随着可穿戴电子设备的发展,智能纺织品由于其独特的感知、响应和反馈机制,在体育、军事、国防、航空航天等领域具有重要的应用前景。智能纺织品是以常规纺织品为载体,结合电子元件的新型纺织品,一般由传感器、执行器、数据处理、通信与电源等部分组成,而制备柔性的传感器及导电线路是智能纺织品功能实现的关键。传统的电子传感元件和导电线路与织物耦合性低,严重影响织物自身性能,而如何实现电子传感元件的柔性化及多功能化集成,是当前智能纺织品研究的重点及难点。因此,本文利用石墨烯独特的理化性质和织物结构出色的可设计性及服用性能,使不同维度的石墨烯和织物进行结合,构建了二维石墨烯/二维平面织物、三维石墨烯气凝胶/三维间隔织物两类新型石墨烯/织物复合材料。接下来,重点研究了其力-电性能,并探究了上述两类新型复合材料的多功能性,利用实验结合有限元数值仿真手段系统评估了复合材料的抗压缩及冲击能力。本文主要研究内容与结果如下:（1）二维石墨烯/二维织物复合材料的力-电压阻效应研究:采用抽滤和热压等工艺,使石墨烯沉积在蚕丝织物上,制备出不同织物角度的织物传感器。其力-电性能系统研究结果表明:拉伸和压缩的电阻变化率ΔR/R0-应变曲线均表现出良好的线性关系,且拉伸灵敏度达到124（应变10%）,压缩灵敏度为25（应变4%）;随着织物角度增加,其灵敏度逐渐减小,电阻变化率和应变之间线性度减弱;传感器灵敏度和稳定性优异,可用于检测人体面部表情变化和手指运动;其传感机理主要归因于微裂纹的萌生和闭合。（2）三维杂化石墨烯气凝胶的力-电压阻效应及多功能性研究:采用冷冻干燥和还原法制备了丝素蛋白（SF,Silk Fibroin）杂化石墨烯气凝胶复合材料。其力-电性能测试结果表明:丝素蛋白可以促进氧化石墨烯（GO,Graphene Oxide）片层网络的形成,杂化石墨烯气凝胶力学和传感性能均有所提升,灵敏度为11.44（应变5%）。三维杂化石墨烯衍生物气凝胶对亚甲基蓝染料和重金属离子（铜离子和锌离子）具有十分优异的吸附性能,其吸附过程符合准二级动力学模型。（3）三维石墨烯气凝胶/三维间隔织物复合材料的力/电压阻效应及多功能性研究:首先,利用石墨烯气凝胶与三维间隔织物复合,构造了一种基于杂化石墨烯气凝胶/间隔织物复合材料的结构传感器。测试结果显示该结构传感器应变灵敏度为1.48,响应时间为40 ms,可检测轻至26.78 mg的大米颗粒,温度灵敏度为-0.004°C-1,防护系数为45%（循冲击环50次）。该传感器内部导电结构网络是由石墨烯气凝胶构成,间隔织物还赋予了该传感器优异的抗压缩和抗冲击性能。其次,采用有限元软件ABAQUS对间隔织物的压缩行为进行了数值模拟,发现较小的间隔丝倾斜角和高度以及较大的间隔丝直径,对间隔织物的压缩性能具有增强作用。再者,还利用该复合材料构造了超级电容器,其电极的电化学测试结果表明,循环稳定性优异,即使在14000次充放电循环测试后,其电容保持率仍在98.9%。此外,该电极在承载1000 g砝码时,其CV曲线几乎没有变化,抗变形能力优异。（4）硅橡胶/三维石墨烯气凝胶/三维间隔织物复合材料的力-电压阻性能研究。利用涂覆法,将硅橡胶与三维石墨烯气凝胶/三维间隔织物三者进一步复合,制备得到相应的结构传感器,并系统探究了其压缩和冲击力学性能、传感性能和潜在应用。结果表明,加入硅橡胶后,复合材料的力学性能及传感性能均有较大提升,灵敏度达17.71（应变40～55%）;冲击-传感性能优异,即便在经历50次循环冲击后,传感性能变化不大,防护系数为55%。此外,针对该复合材料构建了超弹性本构模型,并采用数值仿真手段研究了其压缩和冲击行为。仿真结果表明,该本构模型可对硅橡胶/气凝胶/间隔织物复合材料的压缩和冲击行为进行准确描述,为该类超弹性复合材料的理论分析和数值仿真提供了指导。综上,本文对石墨烯/二维平面织物、石墨烯气凝胶/三维间隔织物、硅橡胶/石墨烯气凝胶/三维间隔织物复合材料的制备、力-电性能及传感机理进行了系统研究,结合数值仿真和实验方法研究了间隔织物的压缩行为,硅橡胶/石墨烯气凝胶/三维间隔织物复合材料的压缩和冲击行为,研究结果对多功能织物复合材料的制备、性能评价与实际应用具有重要的指导意义。
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