导电复合纱基柔性电阻式应变传感器的研究进展

易 雯，陈逸菲，赵明明，闫 涛,b，潘志娟,b

(苏州大学，a. 纺织与服装工程学院；b.现代丝绸国家工程实验室，江苏苏州 215123)

近年来，可用于健康监测、人体运动检测和智能机器人技术的可穿戴设备成为了研究的热门方向[1]。而柔性应变传感器在可穿戴设备的研发中有着巨大的应用前景。为了满足可穿戴的应用条件，柔性应变传感器必须具有宽的应变能力(>100%)、高灵敏度和耐久性，以适应人类活动引起的多尺度动态变形[2]。

传统的柔性电阻式应变传感器主要基于金属薄片或半导体材料[3]，但其牵伸应变能力差(<5%)和敏感系数低，难以满足可穿戴柔性传感的要求[4]。目前，通过将导电材料与柔性基体复合已成功开发出多种不同结构的纳米材料导电网络，主要包括薄膜[5]、纤维[6]、纱线[7]、泡沫[8]和织物[9]。其中，柔性导电纱线因体积小、重量轻、可编织性强以及可贴合人体的特性，易于在柔性可穿戴器件中实现应用[10]。柔性基体材料主要有热塑性聚氨酯 (TPU)、聚二甲基硅氧烷 (PDMS)、聚酰亚胺 (PI)、聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET)、聚丙烯 (PP)等。柔性基体材料使传感器表现出优良的力学性能，包括柔性、回弹性、可拉伸性等，能够承受较大应变以适应人体皮肤、纺织品、鞋类的弯曲、扭转和拉伸[11]。

构建导电网络所采用的导电纳米材料的种类主要有金属纳米材料、导电聚合物、碳基纳米材料等[2]。根据导电材料的种类不同可将柔性复合导电纱分为一元导电纱、二元及多元导电纱。一元导电纱的制备途径较为简单，主要包括导电材料/柔性基体均匀复合、导电材料包覆柔性纱、柔性基体包覆导电纱。相比一元导电纱，二元及多元导电纱的制备更为复杂，从导电材料的本身特性和导电网络的构建出发，不仅需要考虑导电材料与柔性基材之间的复合方式，还需注重不同导电材料间的相互作用，进而实现在不同应变条件下获得高敏感性，通过整合多种导电纳米材料已成为开发高性能应变传感纱的重要途径。

本文主要对导电纱基柔性电阻式应变传感器进行总结，探讨基于一元、二元和多元导电材料的柔性传感网络的研究现状，并对传感器的制备途径和应变传感性能进行对比分析。柔性应变传感器的性能参数主要有应变范围、敏感性、稳定性、耐久性、响应时间等[12-13]，其中柔性应变传感器灵敏性通过灵敏系数(Gauge factor,GF)来计算，如式(1)所示：

(1)

式中：ΔR为电阻变化量，Ω；R0为原始电阻，Ω；ε为应变，%。

本文期望通过对不同导电材料应变传感网络的探讨分析，为未来高性能导电纱基柔性应变传感器的开发提供研究思路。

1 一元结构导电纱

1.1 导电材料/基体均匀复合纱

导电材料与柔性基体的均匀复合是指通过导电材料与弹性聚合物基体均匀混合形成导电网络，制备导电纱的主要方法有(同轴)湿法纺丝、熔融纺丝、3D打印、挤出纺丝等。

陈娟等[14]通过湿法纺丝制备了一种空心同轴管状纱，外层为硅胶(Ecoflex)绝缘层，内层为炭黑(CB)/PDMS掺杂的导电层，因纺丝液中CHCl3挥发，内壁形成大量的裂纹结构，裂隙在拉伸作用下逐渐增大，使传感器在小应变下具有高的电阻变化率，但CB粒子在内层管壁聚集造成导电层硬度增加，限制了纱线的拉伸性能。Yue等[15]采用同轴湿法纺丝制备了能达到较大应变范围的CB/TPU导电纱传感器。该导电纱具有多孔结构，CB颗粒随机分布在孔壁等部分，构建了密集的点对点导电网络，在大应变下，导电纱内部结构变化如图1(a)所示，孔壁小幅度变形，CB颗粒之间的隧道距离增加，导致部分导电路径的破坏，表现出较高的GF值。但是该导电纱直径约为1.55 mm，难以嵌入或编织成纺织品，而Mattmann等[16]利用熔融纺丝制备出直径仅为0.315 mm的CB/热塑性弹性体(TPE)导电纱，但是通过该细丝开发的传感器工作范围小于1%，不利于与纺织品进行整合。Bautista-quijano等[17]研究发现通过熔融纺丝制备的多壁碳纳米管(MWCNT)/聚碳酸酯(PC)导电纱由于MWCNT不易分散，易形成团聚体，高浓度的MWCNT会造成纺丝过程中导电纱易断裂及导电纱直径不均匀等问题。该导电纱在MWCNT浓度较小时，表现出更高的灵敏度，但是机械强度受限。与熔融纺丝相比，湿法纺丝制备的导电纱具有多孔结构，拉伸过程中导电纱内部导电网络变化如图1(b)所示，多孔结构使传感器具有较好的稳定性和耐久性[18-20]。聚合物在挤出纺丝过程中受到的剪切力易对导电网络结构造成影响。例如，You等[21]将超声和烘干后的石墨烯(GR)/PDMS混合墨水利用3D生物打印机挤出到玻璃基板上，固化后用PDMS封装，制备得到石墨烯导电纱，实验过程如图1(c)所示。受挤出过程中的剪切力作用，石墨烯片垂直于横截面分布并沿纵向排列，便于建立互连的导电路径。该导电纱传感性能具有各向异性，对比径向应变，发生轴向应变时，导电网络接触点更易断开，石墨烯片层间的接触面积显著减少，导致传感器电阻发生显著变化。该传感器可以通过弯曲、扭转、压缩和拉伸等多种变形形式获得不同的响应幅值，但是制备工艺较为复杂。

图1 一元导电材料/基体均匀复合纱基导电网络的制造工艺和结构Fig.1 Manufacturing process and structure of the conductive networks based on one-element uniform conductive materials/matrix composite yarns

上述研究表明导电材料/基体均匀复合的制备途径可以通过选择导电材料与基体的比例、组合及导电纱的几何形状，对导电纱的性能进行调整，以期实现应变范围与敏感性间的平衡。

1.2 导电材料包覆柔性纱

导电材料包覆柔性纱是指通过在柔性聚合物基体或天然纱线表面包覆导电材料形成导电层，其主要方法有涂层包覆、超声包覆、上浆包覆及原位聚合等。在导电材料/基体均匀复合纱中，导电填料可稳定地嵌入纱线内部，但导电填料难以均匀分散，从而影响导电网络有效构建。通过包覆法，可以使导电材料在纱线表面形成全覆盖的均匀涂层，且不会破坏芯材的结构完整性和柔韧性[22]。

涂层包覆法主要包括浸涂、旋涂、LBL技术(层层自组装技术)、喷涂等。赵红等[22]通过化学镀镍在棉氨纶表面生成金属镍层，该导电纱自然卷曲，应变范围大，但聚集在表层的镍纳米颗粒(Ni)在纱线牵伸过程中易脱落，导致其耐久性差。与Ni相比，银纳米颗粒(AgNP)构成的导电层具有更优的导电性与耐久性。Qureshi等[23]通过浸涂的方法在尼龙纱线(Ny)表面沉积AgNP层，制备AgNP/Ny复合纱。AgNPs在尼龙表面形成极薄且均匀的导电层，该传感器在小应变下表现出较好的稳定性。区别于银纳米材料的单层浸涂，Chen等[24]制备了以聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)[P(VDF-TrFE)]聚合物为基体，多次浸涂银纳米线(AgNW)的导电纱，纱线结构如图2(a)所示。该研究发现：随着AgNW的浸涂次数增加，传感器的滞后性逐渐降低，灵敏度提高。但浸涂次数过多会降低导电纱的力学性能。Li等[25]利用LBL技术制备了石墨烯纳米片(GNP)/TPU导电纱传感器。由于相邻GNP层之间的重叠面积随着厚度的增加而增加，降低了接触电阻，在5次浸涂后表现出高灵敏度。但是，超过5次浸涂后过厚的GNP层造成拉伸过程中重叠区域不易变形，从而减少了微裂纹的产生，抑制了导电路径的断裂，灵敏度略微降低，可利用LBL技术制备灵敏度可控的导电纱传感器。此外，为简化制备工艺，贾可等[26]在裁剪为条状的CNT薄膜上喷涂PEDOT:PSS制备复合薄膜，再将条状复合薄膜加捻制备成纱线，但由于拉伸过程中CNT滑移较小，传感器的相对电阻变化率低。Zhang等[27]采用挤压涂布法实现了石墨/丝应变传感器的制备。与上述涂层工艺相比，该制备工艺简便高效，但灵敏度与应变范围较小。

导电材料的分散程度影响导电网络的结构以及导电纱的传感性能，而制备方法是导电材料分散程度的重要影响因素。Zhong等[28]采用超声包覆的方法，以超声振动分散聚烯烃弹性体(POE)纳米纱，使AgNW均匀分散于蓬松的纳米纤维间，形成致密的三维互穿型导电网络，实验过程如图2(b)所示。该传感器导电材料和纱线内部纤维紧密结合，随着应变的增加，AgNW沿轴向重新定向，互相渗透的POE纳米纤维对AgNW造成分隔作用，导致了电阻的增加，有效地提升传感器灵敏度。图2(c)为该纱线拉伸和卸载时的传感机制示意图。该传感器可以检测小应变，且灵敏度高，并表现出一定的可水洗性。与超声包覆法相比，上浆包覆法不利于导电材料分散。Ding等[29]采用上浆包覆法，以丙烯酸纤维/氨纶复合纱作为柔性基体，采用AgNW/聚乙烯吡咯烷酮(PVP)复合浆液制备复合导电纱。图2(d) 为该纱线拉伸时的导电网络结构变化示意图。上浆包覆中的黏合剂能提高AgNW对柔性基体的结合力，但黏合剂导致AgNW分散情况差，对传感器的灵敏度有一定影响。因此使用上浆包覆的方法制备高性能传感器，还需要选择适合的黏合剂及其用量。原位聚合法有利于导电材料均匀分散形成导电层。Pan等[30]在PET纤维上涂覆聚多巴胺(PDA)，通过编织的方法包覆在橡胶长丝上形成包芯纱，并采用原位聚合法形成聚吡咯(PPy)导电层。结果表明，该传感器在小应变下表现出高灵敏度。通过原位聚合法，导电材料能在基体上形成均匀导电层，所得到的传感器具有柔软性和可编织性[31]。

图2 一元导电材料包覆柔性纱基导电网络的制造工艺和结构Fig.2 Manufacturing process and structure of the conductive networks based on the flexible yarns coated with one-element conductive materials

综上所述，涂层包覆制备过程简单，多层浸涂可有效提高灵敏度，但导电层与基体间易形成分离层，通过添加超声波清洗预处理、等离子体处理等方法可以有效提高导电材料与基体的结合力[31]。超声包覆使导电材料分散度高，形成致密均匀的导电网络，表现出高灵敏度，并且可与基体紧密结合。上浆包覆可以提高导电材料与柔性基体的抱合力，但黏合剂会影响导电材料的分散情况，造成灵敏度受限。原位聚合使导电材料在基体表面分散均匀，但表层结构粗糙，耐久度低。

1.3 柔性基体包覆导电纱

柔性基体包覆导电纱能够有效地保证应变传感器的耐久性和安全性。Zhang等[32]用聚氨酯胶黏合剂固定由棉纤维包裹银/尼龙纤维制成的柔性应变传感器。图3(a)为该纱线结构示意。结果表明，该传感器具有高灵敏度、良好的线性度和耐久性，还具有抗菌性能。Nakamura等[33]在镍线表面生长石墨烯，再涂覆PDMS后刻蚀镍线，进而获得具有中空管状结构的石墨烯导电纱，刻蚀镍线前后的导电纱图像如图3(b)、图3(c)所示。未采用PDMS涂覆的石墨烯/镍线在蚀刻后，呈现出收缩或扁状外观。该结果表明PDMS涂层可以有效地支撑和保护石墨烯层。当应变传感纱线发生变形时，PDMS等柔性基体层可能会部分填充到产生的微裂纹中，从而起到绝缘介质的作用，进一步增加了表面导电层的接触电阻，从而有助于提高灵敏度。并且PDMS基质表现出的高结晶度可实现传感器的高弹性及低滞后性。

图3 柔性基体包覆一元导电纱基导电网络的制造工艺和结构Fig.3 Manufacturing process and structure of the conductive network based on one-element conductive yarns coated with flexible matrix

综上所述，以柔性基体包覆制备的柔性应变传感器具有较好弹性，并且能够提高传感器灵敏度和耐久度，部分传感器表现出抗菌性及安全性[32]，作为可穿戴传感器具有很大的商业应用前景。

1.4 一元导电纱柔性应变传感器的性能对比分析

对一元导电纱柔性应变传感器的性能进行对比分析，结果如表1所示。以炭黑为导电材料制备的柔性应变传感器具有较好的耐久性，这是由炭黑颗粒在纱线中形成致密的点状接触网络导致[14-16]。以石墨烯为导电材料制备的柔性应变传感器表现出小应变下的高灵敏度[38]。在拉伸过程中石墨烯片重新定向，这导致互连的微观结构转变为轴向平行的微结构，石墨烯片接触点断开，导电通路被破坏，电阻显著增加，但是石墨烯传感器的最大应变较小，因为大应变会对石墨烯晶格造成破坏，导致传感器电阻剧增且不可逆。以碳纳米管为导电材料制备的柔性应变传感器在高应变下表现出较高的灵敏度[18-19]。原始状态下的碳纳米管卷曲缠绕形成导电网络分布于聚合物基体中。在拉伸过程中，电阻的变化由碳纳米管导电网络的变形和相邻导电粒子间隧道距离的增加造成。在小应变下，由于碳纳米管在拉伸过程中的初始电阻较高，且碳纳米管之间的位移较小，灵敏度较低；在大应变下，隧道传导占据主导地位，导电粒子间的隧道距离增大，导致电阻迅速增大，从而表现出较高的灵敏度。以Ag纳米材料为导电材料制备的柔性应变传感器导电性好。AgNP能够形成聚集区，生成致密的接触网络，从而造成优良的导电性。在大应变下，因为由于金属纳米颗粒之间的纵向距离太远，导电网络中形成裂缝，造成导电性降低，表现出较高的灵敏度。AgNW能够在传感器中形成连通性好且更为密集的导电网络，从而能实现较大的应变范围[36]。

表1 一元导电纱柔性应变传感器的性能比较Tab.1 Performance comparison of flexible strain sensors fabricated with one element conductive yarns

续 表

2 二元及多元结构导电纱

相比一元导电纱的制备途径，二元及多元导电纱的制备更为复杂。根据不同导电材料的复合方式，二元导电纱的制备途径可分为多元导电材料/基体均匀复合、多元导电材料包覆柔性基体及导电材料处理一元导电纱。

2.1 多元导电材料/柔性基体均匀复合

多元导电材料/柔性基体均匀复合是指通过将多种导电材料与弹性聚合物基体均匀混合形成导电网络。该制备途径操作简单，导电材料嵌入在柔性基体中形成导电网络，导电材料和柔性基体接触紧密。例如，Kim等[43]通过湿法纺丝，制备PU-AgNPs/GNPs复合纱。该二元导电纱中，银纳米颗粒聚集，石墨烯片均匀分散并与聚氨酯基质中的银纳米颗粒团簇形成连续的3D导电网络，如图4所示。石墨烯片可提供更长的应变路径，并减少银纳米颗粒之间的连接通道数量，从而降低初始电阻，并实现较大的应变范围。

图4 AgNP/GNP/PU复合纱横截面表面SEM图像Fig.4 SEM image of cross section surface of AgNP/GNP/PU composite yarns

2.2 多元导电材料包覆柔性基体

多元导电材料包覆柔性基体是通过将导电材料混合，采用涂层、超声、上浆、原位聚合等方法，使多种导电材料包覆在柔性材料上制备导电纱，该途径可用于柔性基体为天然纤维的导电纱的制备。

不同结构的导电材料可以形成更为复杂连续的导电网络。Souri等[44]把GNP、CB颗粒分散在去离子水中并与十二烷基苯磺酸钠(SDBS)混合，随后将其涂覆于羊毛纱线表面。二元导电材料的均匀混合使导电纱内部导电网络通过氢键和机械相互作用牢固地粘附在一起。相似地，Souri等[45]把GNP、CB的分散液超声涂覆在天然纤维上，形成石墨烯片与炭黑颗粒相结合的导电网络。谢晓旭等[46]通过重复地浸渍烘干，在PU纱线表面涂覆单壁碳纳米管(SWCNT)与还原氧化石墨烯(rGO)分散液，再包覆TPU制备复合纱线。rGO造成导电层硬度增加，无法适应大的应变，但rGO的片状结构以及较大的比表面积，阻碍了CNT的聚集交缠，从而使CNT分散均匀。TPU保护层确保了拉伸过程中导电层与PU纱线芯的同步拉伸变形，提高了导电纱在拉伸过程中的稳定性与耐久性。Xie等[47]将SWCNT、聚(3,4亚乙基二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)及rGO分散液喷涂在TPU膜上，通过将膜卷绕成纱，制成螺旋分层的柔性应变传感器，实验过程如图5(a)所示。该传感器通过引入PEDOT:PSS可有效抑制SWCNT的聚集，并降低SWCNT和rGO的接触电阻，从而降低初始电阻，使传感器在大应变下表现出高灵敏度。图5(b)为该传感器拉伸时导电网络结构变化示意图，在CNT/rGO导电网络中，CNT与rGO形成了较多的接触点，且在拉伸过程中，相比于CNT导电网络，CNT/rGO导电网络的导电路径更易受到破坏，从而表现出更高的电阻变化灵敏度。Luo等[48]通过原位聚合制备rGO/聚苯胺(PANI)复合棉纱。由于热固化后石墨烯纳米片发生重叠，单一的rGO 薄膜显示出皱纹纳米结构；单一的PANI表现出带有孔和粗糙表面的均匀纱线结构。将rGO与PANI 材料复合，PANI颗粒嵌入在rGO片中将其均匀包裹，提高了复合材料的比表面积，从而提高了传感器响应速度。不同导电材料的性能及结构存在差异，采用多元材料复合的方式可以弥补单一材料性能缺陷，从而使二元及多元复合纱表现出比一元复合纱更优的性能。温泽明等[49]采用铜纳米颗粒(Cu)降低液态金属镓铟锡合金(Galinstan)的流动性，将改性完成的液态金属填充在长条形模具中，浸入纱线进行涂覆，制备复合导电纱。氧化膜能够对导电纱形成保护，但金属氧化物导电性较低，且会影响导电层与纱线的黏附性，故需要在制备过程中，防止氧化物生成。为避免金属氧化对导电性能的影响，Cao等[50]通过水热法自组装，使氧化石墨烯(GO)/AgNW包覆在棉纤维上，制备rGO/AgNW/棉复合纱。该导电纱中大量AgNW受到石墨烯片的包裹和保护，不易氧化，稳定性更高。AgNW互连形成致密的导电网络，表现出比rGO/棉复合纱更高的灵敏度和更短的响应时间，但是在施加较大压力时，石墨烯片会堆叠在一起形成石墨状块体，在更大的压力作用下片层间的接触电阻变化较小，当压力大于5 kPa时，灵敏度较差。

图5 二元及多元导电纱基导电网络的制造工艺和结构Fig.5 Manufacturing process and structure of the conductive networks based on binary and multi-element conductive yarns

上述研究表明，多元导电材料均匀混合可以形成紧密的导电网络，并在柔性基体表面形成均匀的导电层。但是，该途径可能造成柔性基体与导电层之间形成分离层[22]。

2.3 导电材料处理一元导电纱

导电材料处理一元导电纱是指将不同导电材料包覆于一元导电纱或对一元导电纱进行碳化处理等。采用导电材料包覆导电纱可以形成独特的3D空间导电网络结构。Qi等[51]通过化学镀镍，形成金属涂层，再采用静电纺丝法，将碳纳米管(CNT)/PU包覆在镀镍棉纱上，形成芯鞘结构的导电纱，镍纳米颗粒均匀且密集地沉积在棉纱的内部和外部，从而形成连续且均匀的导电网络。图6(a)为该纱线受压后结构变化示意图，在初始状态，包覆在表面的CNT/PU纳米纤维，与芯纱分离，表现为突出的弹性弧形表层结构。通过施加较低的压力，可以造成结构快速变化，使导电纱由圆形变成板状，从而导致接触面积迅速显著增加，降低了电阻。从而使该传感器在小应变下，表现出较高的灵敏度和较短的响应时间。对一元导电纱进行处理可以弥补一元导电纱的性能缺陷，形成完善的导电网络。蒋连意等[52]通过LBL技术，在棉纱线表面涂覆三层rGO，再涂覆AgNP。与rGO/棉表层的褶皱导电层相比，AgNP/rGO/棉的导电层表面更为均匀，AgNP粒子镶嵌在rGO片层中，进一步降低了导电纱的初始电阻，并在拉伸过程中表现出更好的稳定性，且具有更大的应变范围。多层浸涂可提高导电纱灵敏度，但浸涂次数过多可能降低导电纱传感性能，并影响耐久性。Li等[53]通过层层自组装，把石墨烯微片(GMs)包覆在PU上，再通过磁控溅射，把AgNPs涂覆到GMs/PU纱上，再用PDMS包裹制备PDMS/AgNPs/GMs/PU复合纱。多层涂覆GMs可以降低初始电阻，但在12次包覆后效果减弱，并且较厚的涂层易在应变下脱落，Ag薄膜降低了GMs之间的接触电阻，从而进一步降低初始电阻，使该传感器能检测较大的应变范围，并在大应变下表现出高灵敏度。Yan等[54]把聚丙烯腈(PAN)和GR混合后通过静电纺丝制得纳米复合纱，碳化处理后制得复合导电纱。碳化工艺可将天然纤维等含碳物质通过加热分解为元素碳和化学化合物[2]，进而获得高导电性，但由于碳材料的固有脆性，导致传感器展现出低应变高敏感性特征。

图6 导电材料处理一元导电纱基导电网络的制造工艺和结构Fig.6 Manufacturing process and structure of the conductive networks based on one element conductive yarns treated with conductive materials

相比二元导电材料传感器，多元导电材料传感器呈现出更为复杂的导电网络。Smith等[55]制备PEDOT:PSS/MWCNT分散液，通过11次浸泡涂覆棉纱，再经过电化学沉积将PANi涂覆在纱线上制备成多元复合导电纱。多次浸涂使MWCNT被吸收到棉纱内部形成导电路径，而PEDOT:PSS及PANi能够在棉纱表面形成光滑的导电层，从而构建内外连通的导电网络。Huang等[56]采用分层浸涂法用PEG涂覆PU，浸入GNP/PSS，冲洗干燥后，浸入CB/SWCNT/硅橡胶(SR)混合溶液中，再经过干燥固化后制备成柔性应变传感器。图6(b)为该纱线横截面图示及拉伸时导电网络结构变化示意图，该传感器中的GNP层可以帮助连接CB/SWCNT导电网络之间的裂缝，生成层压结构和连续的导电路径，表现出出色的线性、较低的检测极限和更好的灵敏度。

以上研究表明，相比于一元导电纱，二元及多元导电纱的导电材料由于结构差异，通过互相包覆、聚集、连接形成紧密的3D 导电网络，表现出协同作用，从而达到比其中单一导电材料制备的导电纱更优的导电性、灵敏度等。并且，通过复合多元导电材料，弥补了单一导电材料的性能缺陷，提高导电纱的力学性能，有利于提高传感器的稳定性。通过研究导电材料之间的协同作用和界面作用，可以进一步改进一元导电纱的传感性能。

2.4 二元导电纱柔性应变传感器的性能对比分析

二元及多元导电纱柔性应变传感器的性能对比如表2所示。与一元导电纱柔性应变传感器相比，二元及多元导电纱具有更为复杂的导电网络。AgNP、CB等球状结构导电材料能够形成致密的点状接触网络，具有良好的导电性，但难以实现大应变下的高灵敏度。通过与片状结构及管状结构等导电材料复合，能够形成更为连续的三维传感网络，有效提高应变范围，且能实现大应变下的高灵敏度。通过球状结构、片状结构及管状结构等不同结构导电材料的复合，生成点-线-面、点-点、线-线、面-面等不同连接方式组合构建的三维导电网络[57]，使传感器导电性优良，且能够检测较大的应变范围，能够在不同应变条件下都表现出高灵敏度，拥有更优的稳定性和耐久度。

表2 二元及多元导电纱柔性应变传感器的性能比较Tab.2 Performance comparison of flexible strain sensors fabricated with binary and multi-element conductive yarns

续 表

3 结论与展望

导电纱线由于体积小、重量轻、可编织性的特性，在开发穿戴电子设备展现有巨大的优势。目前，对于一元导电纱的制备研究数量众多，但在二元及多元导电纱方向的制备研究较少。通过对不同导电网络的传感性能进行研究分析，结论如下：

a)一元导电纱受导电材料结构影响，形成差异化导电网络结构，导致不同导电材料传感器性能各异。炭黑传感器具有较好的耐久性；石墨烯传感器表现出小应变下的高灵敏度，但是最大应变较小；碳纳米管传感器在高应变下表现出较高的灵敏度；银纳米材料传感器具有较低的初始电阻与较大的应变范围，但灵敏度易受导电材料分散情况影响。

b)二元及多元导电纱根据导电材料的本身特性和导电网络的构建需要，制备途径较为复杂。导电材料通过互相包覆、聚集、连接，形成点-线-面、点-点、线-线、面-面等不同连接方式构建的3D导电网络。复杂的3D导电网络提供了稳定连通的导电路径，可实现降低初始电阻、提高电导率的作用，并且使传感器能够在大应变范围内实现有效检测，提高传感器的稳定性。

导电纱柔性应变传感器可以在以下几方面开展深入研究：

a)采用易分散的导电材料或利于导电材料与基体均匀复合的制备途径，构建均匀连通的导电网络，开发可探测较大应变范围的传感器。

b)研究多种结构导电材料复合的协同作用，探究不同连接方式导电网络的传感机理，开发能够探测复杂应变、兼具良好灵敏性及稳定性的传感器。

c)采用更具安全性且价格低廉的材料，简化制备途径，设计连续制备方法，提高传感器产业化价值。