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导电高分子复合材料(CPCs)是将聚合物与各种导电物质通过一定的方式复合而成,具有良好的导电性,可拉伸性,易加工等优点。CPCs能通过导电通路的变化将机械变形转化为电信号,被广泛应用于柔性应变传感器中。本文中,为获得兼具工作应变范围大与灵敏度高的应变传感材料,我们以炭黑(CB)、碳纳米管(CNT)为导电填料,热塑性聚氨酯(TPU)、聚(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯)(SBS)作弹性体,利用同轴湿法纺丝方法制备了皮芯、多孔结构的柔性纤维。详细探究了纤维的内部结构和应变响应性能,具体内容如下:1、TPU-CB/TPU导电复合纤维的制备及性能研究(1)以TPU为弹性基体,低维度的CB作为导电填料,通过简单的同轴湿法纺丝制备具有皮芯、多孔结构的柔性复合纤维,形态表征显示,TPU-CB/TPU导电复合纤维含有纯TPU组成的绝缘内层(弹性层)和CB/TPU组成的导电外层(敏感区)两层结构。纤维导电外层CB分散均匀,形成了良好的CB导电通路。研究了纤维内部多孔结构的形成机制以及孔径尺寸。通过调控实验参数(主要是导电填料的含量),实现对多孔纤维传感性能的调控。(2)应变响应测试表明,TPU-20CB/TPU(纤维导电层CB的质量分数为20wt%)成功实现了超高的灵敏度(Gauge factor,GF=28084)、宽的应变响应范围(0～204%)以及快速响应时间(200 ms)。在循环响应过程中,TPU-20CB/TPU导电复合纤维不受拉伸速率的影响,并严格遵循欧姆特性,且在11000次拉伸-回复循环中展示出了良好的可重复性。(3)利用隧道理论模型探讨了应变传感行为,根据纤维不同拉伸状态下的形貌观察,探究了材料在不同应变下的敏感机理。(4)研究了该纤维的实际应用,湿度和温度变化对基于该复合材料组装的应变传感器影响较小,有利于检测人体运动的全过程。TPU-20CB/TPU应变传感器对关节的循环运动具有快速、可逆的响应,在柔性可穿戴设备领域有广阔的应用前景。2、SBS-CNT/SBS和SBS-CB/SBS纤维的制备及性能研究(1)本章以SBS为柔性基体,零维CB和一维CNT作为导电填料,通过同轴湿法纺丝分别制备了SBS-CNT/SBS和SBS-CB/SBS导电复合纤维。微观形貌观察显示纤维不规则的断面轮廓,且皮层和芯层均存在不同尺寸的多孔结构。观察发现CNT和CB在SBS基体中分布均匀,形成了完整的导电网络。(2)研究了在拉伸作用下,不同维度的填料对导电复合纤维应变敏感性能的影响。结合不同维度的填料的导电原理分析了SBS-CNT/SBS和SBS-CB/SBS导电复合纤维在拉伸下的电阻响应机制。由于零维CB自由度较高,一维CNT长径比大,填料维度和结构上的差异使得SBS-CNT/SBS纤维的敏感范围(0%～900%)高于SBS-CB/SBS纤维(0%～394%),而灵敏度(GF=346.6)低于SBS-CB/SBS纤维(GF=81958.3)。(3)对比研究了SBS-CNT/SBS和SBS-CB/SBS导电复合纤维在各种拉伸条件下的循环响应,发现纤维对不同的应变可显示不同的电阻响应变化信号,应变施加速率对两种复合材料的电阻响应信号输出没有影响,且具有很高的稳定性及良好的可靠性。(4)研究了导电复合纤维的实际应用。利用SBS-CNT/SBS和SBS-CB/SBS纤维组装成相应的应变传感器,可用于大应变范围的检测,并可通过小灯泡的亮度反应电路中应变变化,该导电复合材料在柔性应变传感器等领域具有潜在应用。