智能纤维综述.ppt

1,智能纤维,2,第七章 智能纤维,智能纤维指能够感知环境的变化或刺激，如机械、热、化学、光、湿度、电和磁等，并做出反应的纤维。包含：传感器、执行器和可能含有的中央处理器 或具有传感、执行、调节适应的功能。,传感器：探测环境的变化或刺激产生信号执行器：对来自传感器或中央处理器的信号做出反应。中央处理器：认知、推理和判断。,3,7.1纤维传感器7.1.1智能材料中传感系统的选择,对传感器的基本要求(1)满足强度相容要求,传感系统：测量材料自身温度应变及多种环境参数，是智能材料自诊断、自适应的基础。,不应使原材料强度下降或下降很小；传感器的测量动态范围(如应变、扭转、挠曲等)应与基体材料的工作强度和外加载荷相匹配。,4,(2)满足界面相容要求 传感介质表面应与基体材料有良好的亲合能力；两者应具有近似的热膨胀系数。(3)满足工艺相容要求 传感系统的埋入不应给基体材料的生产工艺带来困难；传感介质能经受基体材料制作工艺中压力、温度、电场、真空条件等的考验。,5,(4)满足场分布相容要求 传感系统不应影响基体材料内各种物理场(如应力场、电磁场、振动模式等)的分布。(5)满足尺寸相容要求 埋入的传感系统应有足够小的体积，不对基体材料组分和物理性能的连续性产生影响。,6,7.1.2光学纤维传感器,(1)定义、机理光纤传感器：将被测对象的状态转换成光信号来进行检测的光学传感器。本质上是一种器件。,组成：光源 光纤 探测器,7,机理：将一光源发出的光学性质保持不变的光通过某种固定的耦合方法入射到光纤，经光纤送入调制区，在调制区内外界物理量、化学量、生物量等被测参数与进入调制区的光相互作用，使光的光学性质如光的强度、波长、频率、相位偏振态等发生变化成为被调制的信号光，再经光纤送入光探测器检测而获得被测参数和被测对象的状态。,测量物理量：温度、压力、速度、流量、应变、位移、电磁场、化学物质浓度等,特点：具有抗电磁干扰、电绝缘、尺寸小、重量轻、灵敏度高、耐化学腐蚀、被测量范围广，不会影响与复合材料的结构统一性。,当前智能材料首选的信息传感和传输的理想载体。,8,光纤材料的种类,无机材料：石英玻璃、多组分玻璃、红外玻璃、掺稀土元素玻璃、蓝宝石晶体等；有机材料：具有极好光学性能的塑料。,9,光纤传感器的种类,测光强、光干涉及光栅传感器。布拉格光纤光栅及其衍生光栅：最好的多点和分布情况探测传感器。,10,含有光纤传感器的智能复合材料,复合材料中埋入光纤传感器和执行器是应用前景最广、技术基础最成熟的一种智能材料。智能结构：大型智能构件(如桥梁、建筑物、大坝的水泥预制件，核反应堆、火箭发射台的基座，航天飞行器、陆地战车和潜艇的框架等)。,测量：结构的载荷大小、振动幅度、温度和应力分布、应变、扭曲、蠕变、层解、微裂及其它损伤用于：载荷引起的结构疲劳和地震灾害预测等军用及民用大型设施。,11,功能：与内部执行器配合，自动检测和控制壳体振动、流体与表面引起的噪音，自动检测和调节材料的多种性能(如反光性能、反辐射性能、电或热导性能、通风渗透性能等)，或改变自身形状。,飞行器 在战斗中损伤后：能识别损伤类别、范围和程度，评价损伤对整机性能的影响，帮助飞行员做出决策。机翼复合材料：及时探测机翼损坏情况，以便及时进行修复或实现自动修复。,智能蒙皮：用于机翼、潜艇外壳，推进器叶片等。,12,光纤传感器植入降落伞中，即时探测降落伞飞行过程中的动态应力变化情况；导电聚合物包敷的光纤传感器植入织物，用于战场上化学或生物物质的探测；塑料光纤传感器植入衬衣 探测心率的变化；判断战场上士兵受伤部位和受伤程度；儿童和病人的日常健康监护。,13,7.1.3导电纤维传感器,成功和普遍应用在柔性材料方面。导电聚合物和金属两类。导电塑料1977年 日本筑波大学 白川英树 首次合成。聚合物具有导电性的条件：具有共轭的电子体系；经过化学或电化学掺杂，即通过氧化还原过程使聚合物链得到或失去电子。,14,导电塑料的分类,(1)结构型导电塑料(本征型导电塑料)本身结构或经过掺杂某些元素后具有导电功能。合成方法：化学方法(无规共聚或接枝共聚)，如聚乙炔、聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺等。(2)复合型导电塑料 在塑料中加入各种导电性物质。制备方法：物理共混(分散复合、层压复合及被覆表面导电膜等）,15,导电聚合物的电导率依赖于温度、湿度、气体和杂质等因素。导电聚合物纤维传感器的分类 光学传感器(输出信号：光)电流传感器(输出信号：电流)电导传感器(输出信号：传导率)以质量和电阻为反应方式的传感器。导电金属纤维：刺绣工艺中用的金银线;不锈钢、金、银、铜纤维；金属镀层的芳纶纤维。,传感原理,16,导电纤维传感器的应用,检测的量：温度、应力、电磁辐射、化学物质种类和浓度等。,聚吡咯涂层纤维：制成织物传感器聚吡咯：直接用于氨和酸的探测 与其他聚合物结合可组成探测气体混合物的传感器。,聚吡咯涂层莱卡纤维制成织物，可感受外力拉伸而探测出手指运动情况。,17,用不锈钢纤维在织物上刺绣出不同的电路：制成织物软键盘。用于新型服装：闪烁发光的连衣裙、音乐甲克等。导电纤维和绝缘纤维纱线交替编织：制成可测压力的织物。,18,7.2纤维执行器,驱动方式：光、电、磁、机械、热和 化学物质等刺激。电驱动纤维执行器,功能性电化学器件：电致变色显示器、电化学传感器、人工肌肉等。,原理：导电聚合物在氧化还原掺杂过程会发生长度、体积、颜色和力学性能等性能的可逆转变,19,聚苯胺纤维执行器：利用聚苯胺在氧化-还原过程中的轴向伸缩作用；,弯曲机：利用聚吡咯纤维在电场作用下掺杂和脱掺杂过程中的不均匀收缩,导电聚合物人工肌肉第二代人工肌肉,20,化学驱动纤维执行器,碱处理后的聚丙烯腈丝束 在所处环境的酸碱度发生变化时，可发生长度的可逆收缩和伸长，遇酸收缩，遇碱伸长，长度在原来长度的104倍之间变化，每平方厘米的丝束可以承受40N的拉力。,低pH值时：分子链去离子化，水从网状分子链中排出进入溶液，分子链网发生收缩；高pH值时：聚丙烯腈分子链离子化，水从溶液中进入网状高分子链，分子链网发生伸长。,机理：不同pH下分子链上的极性基团的离子化和去离子化。,21,7.3形状记忆纤维,热成型时(一次成型)能记忆外界赋予的形状(初始形状),冷却时可以任意形变,并在更低温度下将此形变固定下来(二次成型),当再次加热时可逆地恢复到原始形状的纤维。形状记忆的诱因 物理因素：热能、光能、电能和声能等；化学因素：酸碱度、螯合反应和相变反应等。,镍钛合金纤维：研究和应用最普遍,典型应用：将镍钛合金纤维铺设于绝缘基体中制成的自诊断、自愈合智能复合材料；防烫伤服装。,22,形状记忆丝绸 将丝浸入水解后的纤维性的角朊和骨胶原中,然后干燥、卷曲、再次浸水、110高压(0.2-0.3MPa)热定形10min后制成。丝被退捻到无卷曲状态后,通过60熨烫就可使之恢复卷曲。广泛用于：外套、衬衣和舞蹈紧身衣。,形状记忆聚合物纤维 聚酯、聚氨酯、聚酯醚等。用于：包装材料、免熨衬衣、头套、领带和尿布等。,23,7.4防水透湿织物(1)微孔膜型防水透湿织物,美国Gore公司GoreTex聚四氟乙烯(PTFE)微孔膜；聚偏氟乙烯(PVDF)微孔膜；聚氨酯微孔膜,机理：孔径尺寸介于水滴和水蒸气之间，水蒸气可以顺利通过该膜，而水滴却无法通过该膜。,Gore-Tex聚四氟乙烯微孔膜孔径0.2-5m,24,(2)亲水性无孔防水透湿膜织物,利用高分子间“孔”和亲水基团透湿；利用薄膜本身的连续性和较大的膜面张力防水。高分子膜在玻璃化温度(Tg)以上时，大分子链段开始运动，链段运动的空间构成了“孔”，能允许水分子通过；在大分子链上引入亲水性链段，将其制成薄膜，水分子在亲水性膜两侧的水蒸气压力差驱动下以亲水性链段上的亲水基作为阶梯石，按“吸附一扩散一解吸”的方式，由高湿度侧传递到低湿度侧，从而达到透湿目的。,透湿性决定于高分子膜本身的性能、厚度；薄膜两侧水蒸气分压之差。,25,材料：聚酯、聚氨酯、聚对苯二甲酸丁二酯聚乙二醇嵌段共聚物（Sympatex）、聚酰胺等 亲水基团：聚乙二醇,26,温敏亲水性无孔防水透湿膜织物,能感知外界温度的变化，并通过其透湿性的变化发生响应主动智能型防水透湿织物。典型代表：聚氨酯,机理：在玻璃化温度以上：分子链微布朗运动骤然加剧，导致自由体积急剧增大，为水蒸汽的通过提供更多的途径，使透湿量迅速增加；在玻璃化温度以下：分子链微布朗运动减慢，分子链间排列紧密，阻止湿气的通过，透湿量减少，,27,28,犹如人体皮肤，主动智能型防水透湿会呼吸的防水透湿织物,随人体温度的变化，透湿量随之改变，,透湿量随温度的变化恰好与运动时人体的排汗规律相吻合,29,(3)亲水性涂层无孔膜防水透湿织物,在织物的内侧表面涂层整理特定组成的聚氨酯（以分子量为4002000的聚乙二醇为软段，含量2545）,透湿量：随聚合物中聚乙二醇含量和聚乙二醇嵌段分子量的增大而增大，但防水性能和强度随之下降。,产品：英国Baxenden公司 Witcofles。,30,防水透湿织物的应用,防雨服装防寒服装面料冬季鞋、靴面料包装材料帐篷及建筑屋顶材料潜水服,31,7.5变色纤维,具有特殊组成或结构的，在受到光、热、压力、水分或辐射等外界刺激后可逆、自动改变颜色的纤维。,光敏变色纤维、热敏变色纤维、电致变色纤维,(1)光敏变色纤维：某些物质在一种波长的光的照射下发生变色，而在另一种波长的光的作用下又会发生可逆变化，回到原来的颜色光敏变色光敏变色材料：具有异构体的有机物：螺吡喃、萘吡喃、螺亚嗪、降冰片烯衍生物等。,32,光敏变色机理：分子异构化；分子自由基离解；分子离子裂解；氧化还原反应。,制备工艺：将光致变色材料和高聚物共混通过溶液纺丝、共混 纺丝或复合纺丝技术制得的纤维；将光敏化合物包裹在微胶囊中对纤维进行印花。,33,光致变色纱线：在紫外光照射下能产生橙、紫、蓝、洋红、黄、红和绿等颜色。光敏变色纤维应用：娱乐服装 安全服 装饰品 防伪制品,日本：将螺吡喃类光敏化合物包裹在微胶囊中用于纺织品印花。印花织物在350400nm的紫外线照射后，由无色变为浅蓝色或深蓝色。T恤衫：1989年 供应市场,34,(2)热敏变色纤维 随温度变化颜色发生变化的纤维。,制备：将热敏变色剂充填到纤维内部；将含热敏变色微胶囊的氯乙烯聚合物溶液涂于纤维表面，经热处理使溶液成凝胶状。,热敏变色材料：有机、无机,35,热敏变色机理：螺旋体结构，对白光选择性吸收，并反射某些波长的偏振光，表面反射和透射两种不同颜色的光；反射和透射的颜色随螺旋结构的伸长或缩短而变化；螺旋结构对温度非常敏感，伸缩随温度的变化而变化；液晶本身的光学各向异性也会产生颜色变化。,液晶类：胆甾型液晶,36,热敏变色机理：通过对温度敏感的物质使介质pH值发生变化，从而引起结构的变化，进而导致颜色的变化。,随温度改变发生分子重排的染料：三芳甲烷类、荧烷类、螺毗喃类等。,温敏物质：在一定温度下发生熔融的有机溶剂应用思路：制成微胶囊后再进行纺织品的印花或涂层加工。,37,温度低于溶剂熔点时：显色剂与色素结合显现一种颜色；温度高于溶剂熔点时：显色剂和染料分离并溶于溶剂的熔融体中，消色。,微胶囊内包含：热敏变色染料、显色剂和溶剂(消色剂，在低温下为固态)。,调整三者组成比例，就可实现变色温度的选择性、颜色自由组合和变色的明显度变化，且这种变化是可逆的。,38,日本东丽Sway 将热敏染料密封在直径34m的胶囊内，然后涂层在织物表面。四种基色，可组合成64种不同的颜色。滑雪服变色温度：1119；妇女服装变色温度：1322；灯罩布变色温度：2432。,美国：“变色龙”军服 变色颜料分子结构和排列方式随温度的不同而发生变化；随周围环境的变化而自动变色，呈现与背景相一致的颜色。,39,7.6调温纤维,在一定的温度范围内，可根据环境温度的变化自由调节温度的纤维，一般用来做成调温纺织品。,当环境温度高于或低于人体温度时，调温纺织品可以吸收热量或释放热量，从而起到调节温度以及动态保温的作用。,原理 相变材料在相变过程中的吸收和释放热量的效应：,40,7.6.1相变材料及其热效应,相变材料：在一定的明确的温度范围(相变温度范围)内可以改变物理状态的材料。,当外界温度升高时，材料吸收并贮藏热量发生熔化，材料由固相变为液相，直至完全熔化，停止贮热；当外界温度降低时，材料将贮藏的热向环境释放，同时由液相变为固相。在相变过程中，材料本身的温度几乎保持不变。,41,用于纤维和纺织品的相变材料：无机相变材料：MgC126H2O、CaCl26H20、Na2SO4l0H20、Na2HP0412H20等。相变温度：35以下，相变热：120300kJ/kg。不同的水合盐混合，可调节相变温度。,有机相变材料：脂肪酸类、多元醇类、高级烷烃类和有机酯类等。聚乙二醇：相变性能决定于分子量及整理工艺条件。含1224个碳原子的直链烷烃。,42,相变材料的添加方法充填法 利用特殊加工技术将一定长度的中空尼龙纤维浸于一定浓度的相变盐水溶液中，使中空部分充满相变材料溶液，干燥后，将纤维两端封闭，即可制得调温纤维。,浸轧法 通过传统的浸轧(含相变材料的整理液)烘干焙烘整理工艺，将不同分子量的聚乙二醇通过交联剂交联到织物上，形成一层相变薄膜，该薄膜具有显著的贮热和释热功能。,43,微胶囊法 利用微胶囊技术将相变材料包裹在直径为几微米的微胶囊中，然后通过加入到高聚物溶液中纺制纤维、加入到泡沫液中进行织物涂层或加入到胶粘剂中用于非织造布等方式制取调温纤维或纺织品，利用微胶囊贮热、释热。,44,7.6.2蓄热调温纤维,能够根据外界环境温度的变化，纤维中所包含的室温相变物质发生液固可逆相变，或从环境中吸收热量储存于纤维内部，或放出纤维中储存的热量，在纤维周围形成温度相对恒定的微气候，从而在一定时间内实现温度自动调节功能。,20世纪80年代，NASA“Outlast”织物以烷烃碳氢化合物为相变材料，,45,1997年初市场化：服装、绷带、滑雪衫、靴、手套、袜、帽等，体育运动服装的各个方面。2000年初：汽车顶棚用调温纺织品和汽车内装饰织物。,46,7.6.3调温、调湿纤维,原理 水分子由气态转变为附着在纤维表面的液态，伴随这一过程放出一定的热量；温度升高或环境湿度下降时，水分子由吸附态变为气态，从纤维或环境中吸收一定的热量，造成纤维的温度下降。,吸湿积分热：干重1g的纤维从某一回潮率开始吸湿到完全湿润时所放出的热量,羊毛：112.62J/g；棉花：46.05J/g；聚酯纤维：5.44J/g。,47,聚丙烯酸分子链进行高亲水化处理(金属盐型)，分子链中引入NH2-、-COOH基团，并进行交联处理。,日本东洋纺公司：爱克苏,调温性：它的相对湿度从0变化到85时，1g纤维放出的热量可使1杯水的温度上升约1，放热能力是羊毛和羽绒的2倍左右。吸湿和放热速度比较缓慢，可均匀地释放，从而使衣内温度缓和调节，也能防止出汗后的冷感，故穿着空间能经常保持舒适的温度区间。,48,调湿性：亲水性基团含量超过任何一种天然纤维，故吸湿性很高，吸湿能力约是木棉的3.5倍(20和相对湿度65)。吸湿放热和脱湿吸热过程较平稳且可调，吸湿和放湿速度可以调节到木棉和羊毛天然纤维的一半左右。可适应穿着空间和外界环境的湿度变化，使穿着空间经常保持舒适的湿度区间。,调和性：pH缓冲性、吸水性、干燥性、抗菌消臭性、抗静电性、阻燃性、抗起球性等,49,日本东丽公司：“能量感应”尼龙类高吸放湿性纤维“Quup”在尼龙6中混入特殊的高吸湿性聚合物纺丝而得。,调温调湿纤维的应用：内衣、睡衣、运动衣、袜子和床上用品(被、褥)、外套、男士服装、滑雪衫等。,调温调湿性：在高湿环境下具有很高的平衡吸湿率，比普通尼龙的吸放湿性高2倍，可吸收人体排出的水气，并将之转化为热能。比传统衣物保暖25，而衣内湿度相对下降。,50,环境温度高于其熔融温度时：涂层相变吸热，同时聚合物体积膨胀，亲水基团空间自由体积增大，透湿量增加，排热、排汗速度加快，使人有凉爽感；环境温度低于其结晶温度时：PEG链段结晶，PU涂层相变放热，同时封闭孔隙，亲水基团活性降低，透湿性减小，挡风保暖。,7.6.4调温聚氨酯涂层织物,兼具防水、透气、调温功能，穿着舒适“空调织物”。,原理：聚氨酯(PU)中的聚乙二醇(PEG)是一种相变材料，选择和设计PEG的聚合度和含量，使PU中PEG相区的相转变温度恰好在人们感觉最舒适的温度范围。,美国Po1ytech公司：Uneatech。,51,7.7压电纤维,压电陶瓷纤维 制备：基于溶胶凝胶法的工艺 易烧结(1000)，耐高温 极化需大电场、高温度，弹性差,压电聚合物纤维 制备：将聚合物膜在一定强度的电场中热拉伸极化，使结晶产生极性。形变大、弹性好、密度小；耐热性差,应用：旋翼飞机的震动控制、直升机和潜艇等的抗噪、声纳、体育用品、传感器和执行器等。,