纳米纤维具有极高的比表面积及优异的力学性能,在过滤、生物医药、防护服、电子器件等领域具有重大的研究及使用价值。静电纺纳米纤维纱不但具有纳米纤维的特性,而且展现出比纳米纤维膜更加优异的力学性能,能够满足三维织造的要求。纳米纤维纱能够通过对取向的纳米纤维束进行加捻,或者直接对纳米纤维进行连续加捻牵伸获得。前者的纱线质量较好,但是不能够连续制备;后者还存在产量低、纺丝过程稳定性差等问题。石墨烯复合纳米纤维多是以无规取向的纳米纤维膜或者与聚合物复合进行铸膜,通过这两种方法获得的复合材料不能进行二次加工或者失去了纳米纤维材料的比表面积大的优点。柔性应变传感可广泛应用于健康监测、智能机器人、智能服装、建筑结构监测。基于金属和半导体的应变传感器柔韧性差,应变范围及敏感系数(GF)低,难以满足高应变领域的需求。目前柔性应变传感器的制备方法主要是利用纳米导电材料与聚合物复合,但同时获得高的GF值、应变范围、稳定性以及应变与相对电阻变化之间的线性关系还存在重大挑战。针对上述问题,本研究以石墨烯和聚丙烯腈(PAN)为原料,采用多针头水浴静电纺的方法制备连续的PAN/石墨烯复合纳米纤维束,主要研究石墨烯的含量及分散性能、纺丝工艺参数对纳米纤维束结构与性能的影响,再通过并合加捻制备PAN/石墨烯复合纳米纤维纱,研究并合根数及捻度对纱线结构和性能的影响;然后对其进行预氧化和碳化处理以制备连续的高导电性碳/石墨烯复合纳米纤维纱(CNY),并设计与开发纱线基柔性应变传感器,探索CNY的根数及热塑性聚氨酯(TPU)基体的厚度对柔性应变传感器的传感性能的影响;同时利用纯PAN纳米纤维纱和传统的PAN短纤维纱进行织造、预氧化、碳化加工,制备碳纳米纤维纱机织物,并利用该织物设计应变传感器,研究纬纱线密度及基体厚度对传感器性能的影响。主要研究结果如下:(1)PAN纳米纤维束及纱的连续制备。在外加电压17kV,流量4.0ml/h,纺丝距离为9cm,卷绕速率为110m/h的参数下,能够实现纳米纤维束的连续制备。此条件下,纤维的平均直径为258 nm,纤维沿着纤维束轴向的取向度为70.9%。纤维束的最大断裂强度和伸长率分别为0.596 cN/dtex和4.74%。对不同根数的PAN纤维束进行并合加捻时,纱线的直径和捻角随并合根数的增加逐渐增大,均匀性也明显提高。在3根并合、1500 tpm条件下,断裂强度及初始模量达到最大,分别为34.9 MPa和391.3 MPa;在5根纤维束并合、捻度为2000 tpm时断裂伸长率达到最大值,为26.1%。随定型温度及时间的增加,PAN纳米纤维纱的定型效果提高,最佳定型温度和时间分别为90℃和30 min。5根并合、捻度1000捻/米的纱线在上述条件下定型后,断裂强度及断裂伸长率分别为32.8 MPa和20.8%,比原样提高了 18.3%和23.2%,同时纤维的结晶度由34.5%提高到39.9%。(2)PAN/石墨烯复合纳米纤维束的制备。在PAN加入前后各超声9 min时,石墨烯在纺丝液中的分散性最好;利用带辅助电极的多针头水浴静电纺的方法制备PAN/石墨烯复合纳米纤维束,得到最优纺丝工艺参数组合为纺丝电压20 kV、辅助电压15 kV、卷绕速度110 m/h、石墨烯含量1%。在上述条件下,复合纳米纤维的直径为210.6 nm,取向度为74.34%,纤维束的电导率为2.438×10-7 S/cm,强度为0.47 cN/dtex,断裂伸长率为4.11%,初始模量为30.21 cN/dtex;添加低于1%的石墨烯有助于提高复合纳米纤维的力学及电学性能。(3)PAN/石墨烯复合纳米纤维纱的制备。对1%石墨烯含量的复合纳米纤维束进行加捻,在并合根数相同时,随着捻度的增加,纱线直径先减小后增大,强度和伸长先增大后减小,模量降低;在捻度相同时,随着并合根数的增加,纱线直径增大,强度和伸长率先增大后减小,模量下降。当4根纳米纤维束并捻,捻度为1500捻/m时,断裂强度最大,为16.54 MPa;在3根纤维束并合、捻度为2000 tpm时,纱线获得最大断裂伸长率,为26.42%。(4)PAN/石墨烯复合纳米纤维的预氧化及碳化。随着预氧化处理温度的提高或处理时间的延长,预氧化反应程度提高、进程加快。在复合纳米纤维中加入少量的石墨烯可以促进预氧化过程中的环化反应、芳构化反应,有利于层状结构和结晶结构的形成,但过量石墨烯的添加反而会对预氧化反应起到阻碍作用。PAN基碳/石墨烯复合纳米纤维比较适宜的预氧化条件为270℃、1.5 h。在碳化过程中碳/石墨烯复合纳米纤维的结构更加致密,缺陷降低,直径减小;少量的石墨烯有利于纤维中有序石墨化结构的形成,提高碳纳米纤维纱的导电能力,在石墨烯含量为1%时达到最大值;提高碳化处理温度和延长碳化时间,其电学性能提高,在石墨烯含量为1%,预氧化条件为270℃、1.5 h,碳化处理条件为1100℃和3 h时,其电导率达到66.44±13.16 S/cm;随石墨烯含量的增加,纱线的强度先增加后减小,在石墨烯含量为1%时达到最大值,而模量逐渐减小;其强度和模量随碳化温度的增加而先增加后减少,随碳化时间的增加而增加。对1%石墨烯含量的复合纱在1000℃下碳化3 h时,强度和初始模量达到最大,分别为59.49 MPa和14.63 GPa。(5)以TPU为基体,制备CNY基应变传感器。随着CNY根数的增加,应变传感器的稳定性先提高后下降,GF值逐渐降低。随着TPU基体厚度的减小,传感器的GF值增大,但稳定性降低。当碳复合纳米纤维纱为4根、传感器的厚度为185μm时传感器同时具有高的敏感度和稳定性,综合性能最好,在应变为2%时,传感器的GF值大于400,敏感度的变异系数仅为1.9%,拉伸速率对传感器的性能没有影响。该传感器可以精确地检测到超轻质量、声波及肌肉松紧程度导致的微弱的变化,在静动态环境下同时具有优异的应变传感性能。(6)利用碳化的PAN纳米纤维纱(PNY)织物制备具有高性能的柔性应变传感器。利用单根PNY做纬纱、纬密为100/10 cm的织物经过预氧化和碳化后制备的应变传感器具有最佳的性能,在基体厚度为372 μm时,应变与相对电阻变化之间表现出良好的线性关系,线性系数为0.993;在不同的拉伸应变范围及拉伸速率下展现出优异的敏感性及稳定性,在12%的应变范围内,GF值为77.3。传感器的稳定性随TPU膜厚度的增加而增加,GF值随TPU膜厚度的增加先增大后减小;随着纱线线密度增加,织物的紧度增大,传感器的GF值增大,但应变性能减小。织物的紧度较小时,纱线的断裂点在织物上的分布是分散的,且随应变的增加,断裂间隙及断裂点数量逐渐增大,使传感器具有优异的线性关系及应变范围。应变传感器可以准确地检测出人体关节的各种大尺寸的运动和微小的变化;在动态或静态载荷下,传感器都表现出高的灵敏性及稳定性。本文以多针水浴静电纺、并合加捻、织造、预氧化和碳化技术,制备导电PAN基碳纳米纤维纱及其织物,并基于该材料设计的柔性应变传感器展现出优异的综合传感性能。