[发明专利]含有石墨烯的压电响应纺织品

说明书

一种包含石墨烯的导电纺织品，其在变形时经历电阻变化。

技术领域

本发明涉及压电响应纺织品领域。特别地，本发明涉及一种导电纺织品，其在张紧时会改变电气性能。

背景技术

应变计和压力计被广泛使用。当用作压力计时，其可以高度精确，并且可以由多种材料通过多种方法制成。通常，它们是使用一种材料或一系列材料的独立电气设备，该种材料或一系列材料在施加压力时会经受电气性能的变化。电气性能的变化通常是电阻、电容或电感。在许多情况下，压力计是应变计的一种形式。

材料的变形改变了材料成分的相对位置，从而导致应变。这种变形可以是弹性或非弹性的、弹性和非弹性的结合或仅部分是弹性的，每次变形都会产生一些永久变形。变形可以是压缩或扩展的，并且可以沿三个物理维度的任何一个或全部而发生。在实践中，通过施加垂直于片平面的力来压缩材料片使片在施加力的区域中较薄。在片平面内拉伸可被压缩的材料的片通常也会使其更薄。这些变形的各种个体或组合可用于测量应变。

弹性在形式上被测量为“弹性模量”(也称为拉伸模量和杨氏模量)。弹性可逆性是指物体在变形后恢复其原来形状的程度。一般情况下，如果物体在弹性变形后保持适合于目的，则认为弹性是可逆的。在应变传感器中，非弹性变形是可以被补偿的。

应变仪通常使用可变形的电导体(例如以复杂图案的薄金属箔或细金属线)来使结合到可弯曲或可拉伸的绝缘片上的灵敏度最大化。当绝缘体被拉伸或压缩时，电导体变形并且其电阻变化。如果电导体被拉伸，则电通路会变得更窄且更长，从而增加电阻。如果被压缩，则电通路就会变得更短且更宽，从而降低电阻。这种效应可以描述为压阻效应。这种二维应变计可以布置在膜上以充当压力传感器。

压阻可以用来测量应变的变化(以及通过包含压力)。半导体，如硅和锗，是众所周知的压阻材料。它们随着应变而经历大的电阻变化，并且可以制成高精度且高灵敏度的压力传感器。

电阻可以以多种方式来报告。对于薄片中的电导，单位“每平方欧姆”(“欧姆/平方”或“欧姆/”)常被使用并且被称为“薄层电阻(sheet resistance)”。这一单位的实践有点在于，不管被测量的材料是如何构成的，它都反映期望的结果。例如，两片电导体可能具有不同的比阻，但如果厚度不同，则仍可具有相同的期望的薄层电阻。薄层电阻通常应用于均匀厚度的薄膜，但也可以应用于不均匀的导体片，例如纺织品。

电阻、电容和电感的测量可以通过许多手段来实现。在模拟应变计中，惠斯通电桥或电位计可用于确定未知电阻。现代数字设备和半导体技术允许简单、精确和相对低成本的测量设备来测量一个或多个电气参数。

大面积上的应变感测需要坚固且相对便宜的材料。半导体技术是不合适的。使用导电的、可拉伸的聚合物(例如橡胶)的应变传感器是众所周知的。是一个可商业购得的示例，其中电绝缘聚烯烃已具有添加的导电碳颗粒(炭黑)以使其导电。当片被拉伸时，它会改变电阻，从而可以允许其用作应变传感器。其结构的性质意味着：当在垂直于片的方向上向片施加压力时，在施加压力的方向上会发生电阻变化，而在垂直于施加压力的方向(平面内或薄片电阻)不会发生电阻变化。

纺织品，还称为纤维织物或布料，是由天然纤维和/或人造纤维网格组成的柔性材料。根据所需的性能和应用，多种材料可被用作纤维。

纺织品可以由纤维通过许多方法形成，包括：织造、针织、打结、编织和非织造覆盖层技术，其具有另外的步骤，例如交织(例如针刺、毡制、水力缠结、旋转系带、水针刺)，并且可以包括各种步骤来改善所需的性能，例如粗梳、热粘合和涂覆。

导电纺织品可以由导电纤维制成，例如：金属；导电聚合物(例如聚吡咯)；碳填充聚合物纤维；以及金属填充的聚合物纤维。此外，纺织品可以由涂覆的纤维制成，其中非导电聚合物(聚烯烃或天然纤维)被涂覆有导电层(例如本文所述的那些)，然后纤维被制成纺织品。在某些情况中，根据所期望的性能，导电纺织品由导电纤维和非导电纤维的混合物制成。或者，可以通过用导电材料涂覆纺织品来使纺织品导电。