液态金属多功能超弹纤维的制备及其性能研究

作     者：杨欣 

作者单位：苏州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘宇清

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：液态金属 智能纤维 超弹 传感器 热拉伸 

摘      要：柔性电子可穿戴设备和智能纺织品概念的提出,引领人们步入了一个新的纺织品时代。纺织品的智能化和多功能化已受到学者们的广泛关注。然而,现如今对智能纺织品的研究大多集中在后整理阶段,如通过涂覆、沉积等方式让织物与功能材料结合,使织物获得某些特定的功能。但是这类后整理方式不可避免地会影响织物的柔韧性、水洗性、耐久性等。故在纤维层面赋予其智能和功能变得愈发重要。本文从“预制件-热拉伸法这一新兴纤维制备方式出发,以聚苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯（SEBS）和液态金属（镓铟锡低温合金）为基础材料,设计制备了一种液态金属超弹纤维;基于此纤维开发了一种纤维传感器,并对其结构及性能进行研究和表征;此外,对液态金属进行铁掺杂改性,赋予纤维磁控性能;最后,结合纤维的超弹性,挖掘其在电磁感应发电和温度管理领域的潜力。本论文主要研究内容如下:（1）本文首先分析了 SEBS原料的流动性能,优选出适合“预制件-热拉伸法制备纤维的材料,将其与液态金属相结合,设计制备了一种液态金属超弹纤维。测试并表征其各项性能,制得的纤维具有良好的机械性能、超强的弹性及优异的耐机械疲劳性能,纤维断裂应变在600%以上,断裂应力超4 MPa,且纤维不同截面结构对应力应变影响较小,较之常用的其他材料优势明显,十分适合制作高性能传感器。（2）通过对液态金属进行铜掺杂改性,提高其电导率,并制备了一种纤维形机械传感器。研究了该传感器在不同模式下的传感机理,表征其基本性能,分析各项因素对其传感性能的影响。此外,设计制备了一种多纤维集成的机械传感器,探讨不同结构对传感器的性能影响,分析性能差异产生的原因,并测试其耐疲劳性能。最终得出结论——加捻结构的多纤维集成传感器拥有更好的刺激响应灵敏度。（3）挖掘液态金属超弹纤维在多领域的潜力,扩展其应用范围,赋予其多功能属性。基于制备的液态金属超弹纤维,首先探索其在软体机器人领域的应用前景,通过对液态金属掺杂铁元素的方式,赋予液态金属纤维磁性。使用强磁场极化该纤维后,使其获得无接触磁控的功能,并测试表征相关数据;其次,发挥纤维高电导率的特性,将其与电磁感应相结合,提出了一种便携式电源的思路,研究了纤维作电磁感应线圈时磁场速度、线圈形状、纤维弹性变形及匝数与输出电压的关系;最后,充分发挥纤维超弹性的特性,测试了其在恒流电源下,拉伸应变对纤维电热性能的影响,并提供了一种无需外部可调电源即可调节温度的智能纺织品的设计思路。本课题从材料选择、材料改性着手,设计制备了一种液态金属多功能超弹纤维,其满足可穿戴设备对柔性和机械性能的基本要求,可直接用于织造,且拥有巨大的功能化空间。期望本文的研究能为智能纤维的开发提供一些新思路。