一种基于碳纳米管的三维编织结构应变传感器的制备方法

技术领域

本发明属于传感器技术领域，尤其涉及一种基于碳纳米管的三维编织结构应变传感器的制备方法。

背景技术

近些年来，随着科学的不断发展，人们对于纺织品的要求不再是局限于舒适保暖，外形美观，越来越多的科学技术融入到纺织品中，智能纺织品应运而生。通过穿戴智能纺织品，可以实时监测人体的各项数据以及周围的环境数据，因此智能纺织品在医疗卫生，公众健康以及环境监测等方面具有广阔的前景。而智能纺织品的发展离不开传感器的开发及应用，在20世纪50年代，随着半导体技术的发展，传感器的制造成本大幅降低，同时性能也得到了大幅提升。这使得传感器得到了广泛的应用，包括工业自动化、医疗、环境监测、交通运输等领域。随着信息技术的发展，传感器的应用范围也不断扩大。现代传感器不仅可以测量物理量，还可以实现图像、声音、位置等信息的采集和处理。传感器的类型有压力传感器、温度传感器、湿度传感器、机械传感器、化学传感器。温度传感器是利用温度的变化，将温度信号转换为电信号，如热电偶、热敏电阻等。湿度传感器是利用湿度的变化，将湿度信号转换为电信号，如电容式湿度传感器、电阻式湿度传感器等。机械传感器是利用机械变形或运动，将机械信号转换为电信号，如压力传感器、位移传感器等。化学传感器是利用化学反应或物理变化，将化学信号转换为电信号，如气体传感器、pH传感器等。压力传感器是利用压力的变化，将压力信号转换为电信号，如压力传感器、差压传感器等。

应变传感器离不开力的检测，而力学传感器可以将检测到的力学(压力、拉力等)信号按照设定好的条件转换成可以被检测并输出的信号，力学传感器一般有三个部分，力学检测元件、信息转换元件和基本电路部分。力学检测元件检测力的变化，通过信息转换元件将力的变化信息转换成电信号，再通过基本电路部分进行表达或输出数据。

当前，在发展智能纺织品的道路上，传感器是一大难点。传统的传感器由于质地坚硬，无法在智能纺织品中发挥应有的作用，智能纺织品对传感器的要求是需要传感器具有柔韧性，能够被编入智能纺织品中而不影响纺织品原本的性能，而传统传感器难以与纺织品相融合，限制了智能纺织品的发展。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于碳纳米管的三维编织结构应变传感器的制备方法，以氨纶长丝为纺织基底材料，利用1×1四步法编织技术在三维编织机上织制具有三维立体结构的三维编织物(氨纶编织物)，随后通过超声浸渍将多壁碳纳米管溶液分散浸渍到氨纶编织物表面，赋予其导电性，同时，氨纶长丝编织成的氨纶弹力纱可以为织物提供一个较好的回弹力，在拉伸外力作用下，氨纶长丝发生形变，其表面的碳纳米管导电网络的连续性被破坏，进而改变整根氨纶织物的电阻，通过分析电阻的变化规律，即可推断出应变大小，最终达到应变传感的效果。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于碳纳米管的三维编织结构应变传感器的制备方法，包括以下步骤：以氨纶长丝为原料，利用四步法编织技术将其编织成三维编织物，随后通过超声浸渍将多壁碳纳米管溶液分散到所述三维编织物表面，干燥即得。

进一步地，所述三维编织物的排纱规格为3*3、4*4、5*5或3*5。

进一步地，排纱规格为4*4的三维编织物的编织角为40°-60°。

进一步地，排纱规格为4*4的三维编织物的编织角为40°(小编织角)、50°(中编织角)或60°(大编织角)。

进一步地，所述多壁碳纳米管溶液的浓度为0.75mg/mL-10mg/mL。

进一步地，所述多壁碳纳米管溶液的浓度为0.75mg/mL、1mg/mL、2.5mg/mL、5mg/mL、7.5mg/mL或10mg/mL。

进一步地，所述多壁碳纳米管溶液的浓度为2.5mg/mL或5mg/mL。

进一步地，所述超声浸渍的过程如下：将所述三维编织物浸渍到多壁碳纳米管溶液中，所述多壁碳纳米管溶液将所述三维编织物完全没入，将浸渍有所述三维编织物的多壁碳纳米管溶液放入超声装置中，以水作为介质进行超声传递，其中，水的高度高于所述多壁碳纳米管溶液的高度，重复超声浸渍-干燥过程，直至浸渍有多壁碳纳米管的三维编织物的电阻不再发生变化。

进一步地，单次超声浸渍时间为10min；单次干燥温度为80℃，单次干燥时间为1h。

一种根据上述的制备方法制备得到的基于碳纳米管的三维编织结构应变传感器。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

本发明以氨纶长丝为纺织基底，氨纶弹性优异，而强度比乳胶丝高2-3倍，线密度也更细，并且更耐化学降解，氨纶的耐酸碱性、耐汗、耐海水性、耐干洗性和耐磨性均较好。使用氨纶丝作为纺织基底，可以获得较高的粘弹性，在智能纺织品的使用过程中不会发生断裂，能够保证其耐用性，氨纶丝本身并不导电，需要对其进行改性使其获得导电性，然后检测其电阻变化，得出信息结论。为了满足智能可穿戴纺织品的要求，柔性传感器需要具有高灵敏度、良好的柔性及粘弹性、优异的稳定性和生物相容性等特点。目前，金属纳米颗粒、纳米线、导电聚合物以及碳材料等是使用较多的活性材料，然而，金属纳米颗粒和纳米线的化学稳定性一般，且本身的拉伸性能会受到限制，阻碍了进一步发展，导电聚合物的导电性一般，机械性能较差，柔韧性也受到限制，碳材料由于具有优异的物理化学性质，在近年来飞速发展，尤其是碳纳米管(CNTs)材料，具有良好的柔性、稳定性，可以赋予柔性传感器较高的灵敏度和优异的稳定性。多壁碳纳米管是一种理想的材料，碳纳米管是一种纳米级的材料，因为纳米结构在某一维度或更多维度具有量子限制效应，以及特殊的光、电、磁性质，目前为止，碳纳米管被认为是最具有希望的纳米级材料。碳纳米管其实就是石墨烯网卷曲形成管状的纳米级材料，通过在超声波溶液中浸渍，使碳纳米管分散开来，借助基底使碳纳米管分散在2D网络中就形成了碳纳米管涂层，碳纳米管既具有金属性也具有半导体性，因此在物体表面涂覆一层碳纳米管涂层，可以使原本不具备导电性能的材料获得导电性。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为采用三维方机进行1×1四步编织法的工艺流程图；

图2为4*4编织布纱方式；

图3为氨纶长丝被多壁碳纳米管溶液浸渍后的电镜扫描图；

图4为不同浓度多壁碳纳米管溶液浸渍过程中三维编织物重量变化；

图5为不同浓度多壁碳纳米管溶液浸渍过程中三维编织物电阻变化；

图6为不同编织角的基于碳纳米管的三维编织结构应变传感器的结构显微图；

图7为不同编织角三维编织物在多壁碳纳米管溶液浸渍过程中的重量和电阻变化；

图8为不同排纱规格基于碳纳米管的三维编织结构应变传感器浸渍过程中的重量变化；

图9为不同编织角基于碳纳米管的三维编织结构应变传感器浸渍过程中的电阻变化；

图10为不同浓度多壁碳纳米管溶液的应变传感器在测试过程中应变和与相对应的应力数据汇总结果；

图11为不同浓度多壁碳纳米管溶液的应变传感器的应变和与之相对应的电阻变化率数据汇总结果；

图12为不同浓度多壁碳纳米管溶液的应变传感器拉伸次数和与之相对应的电阻变化率数据汇总结果；

图13为不同编织角的应变传感器应变和与之相对应的应力数据汇总结果；

图14为不同编织角的应变传感器的应变和与之相对应的电阻变化率数据汇总结果；

图15为不同编织角应变传感器的拉伸次数和与之相对应的电阻变化率数据汇总结果；

图16为不同排纱规格制备的应变传感器应力-应变曲线；

图17为不同排纱规格制备的应力传感器电阻变化率-应变曲线；

图18为不同排纱规格的应变传感器的拉伸次数和与之相对应的电阻变化率数据汇总结果。

具体实施方式

现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。

应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值，以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。

除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。

在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。

关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。

本发明的实施例提供了一种基于碳纳米管的三维编织结构应变传感器的制备方法，包括以下步骤：以氨纶长丝为原料，利用四步法编织技术将其编织成三维编织物，随后通过超声浸渍将多壁碳纳米管溶液分散到所述三维编织物表面，干燥即得。

在本发明的实施例中，利用1×1四步法三维编织技术在行列单动-联动三维编织机(以下简称三维方机)上编织具有三维立体结构的三维编织物，采用三维方机进行1×1四步编织法的工艺流程图见图1。

以4*4(排纱规格，下同)的氨纶三维编织物的编织为例：

①排纱前准备

编织不同规格的三维编织物，需要对三维方机进行改装，需要将编织区域相邻的运动纱锭行和列锁死，以保证纱线只在编织区域内运行。

②排纱

4*4编织布纱方式见图2，图2中“○”表示的运动纱锭，“×”表示的轴向不动纱锭，轴向不动纱锭在行列运行时保持不动。取氨纶长丝，两端打上活结，穿过三维方机上方的横杆，将活结挂在三维方机的标红的运动纱锭上，中间的16根运动纱锭为编织纱，周围的8根编织纱锭为边纱。

③编织

四步编织步骤

①：相邻行中的携纱器左右错位移动一个位置。

②：相邻列中的携纱器上下错位移动一个位置。

③：相邻行中携纱器进行与步骤①相反的错位运动。

④：相邻列中携纱器进行与步骤③相反的错位运动。

以上四步为一个机器循环，故称四步法。重复以上动作，编织所需的三维编织物。

在编织过程中，需使用打纬器将纱线打紧，以保证其织物结构稳定，打纬力越大，织物编织角越大，织物结构越紧密，打纬力越小，织物编织角越小，织物结构越松散。最后测量编织物长度是否符合预期，达到所需长度，在已经织造完成的三维编织结构两端用绳子系紧，防止三维结构散开，然后将织物剪下。

在本发明的实施例中，所述三维编织物的排纱规格为3*3、4*4、5*5或3*5。

在本发明的实施例中，排纱规格为4*4的三维编织物的编织角为40°-60°。

在本发明的实施例中，排纱规格为4*4的三维编织物的编织角为40°、50°或60°。

在本发明的实施例中，所述多壁碳纳米管溶液的浓度为0.75mg/mL-10mg/mL。

在本发明的实施例中，所述多壁碳纳米管溶液的浓度为0.75mg/mL、1mg/mL、2.5mg/mL、5mg/mL、7.5mg/mL或10mg/mL。

在本发明的实施例中，所述多壁碳纳米管溶液的浓度为2.5mg/mL或5mg/mL。

在本发明的实施例中，所述超声浸渍的过程如下：将所述三维编织物浸渍到多壁碳纳米管溶液中，所述多壁碳纳米管溶液将所述三维编织物完全没入，将浸渍有所述三维编织物的多壁碳纳米管溶液放入超声装置中，以水作为介质进行超声传递，其中，水的高度高于所述多壁碳纳米管溶液的高度，重复超声浸渍-干燥过程，直至浸渍有多壁碳纳米管的三维编织物的电阻不再发生变化。

在本发明的实施例中，单次超声浸渍时间为10min；单次干燥温度为80℃，单次干燥时间为1h。

本发明的实施例还提供一种根据上述的制备方法制备得到的基于碳纳米管的三维编织结构应变传感器。

本发明实施例中的原料均通过购买得到。

本发明实施例的实验材料见表1。

表1实验材料

本发明实施例的实验试剂见表2。

表2实验试剂

本发明实施例的实验设备见表3。

表3实验设备

本发明实施例的多壁碳纳米管溶液的浓度设定见表4。

表4多壁碳纳米管溶液浓度设置

上述多壁碳纳米管溶液的配制方法为：按照表4设定的浓度进行配制，将99％纯度多壁碳纳米管粉与去离子水配制成多壁碳纳米管溶液。

实施例1

以氨纶长丝为原料，利用1×1四步法编织技术在三维方机上将其编织成三维编织物，排纱规格为4*4，编织角为40°，随后通过超声浸渍将浓度为0.75mg/mL的多壁碳纳米管溶液分散到所述三维编织物表面，超声浸渍过程如下：将盛有多壁碳纳米管溶液的烧杯放入超声清洗机中，超声清洗机中加入水作为超声震动介质，水面的高度要高于烧杯中多壁碳纳米管溶液的液面高度，超声分散30min，通过超声波的作用将碳纳米管均匀地分散到水中，长时间超声震动产生的能量会使水温升高，为保持温度变量不变，因此需要在水中加入冰袋，以保证水温恒定。浸渍前对上述制备的三维编织物进行称重，得到其浸渍前重量，方便进行后续比对，打开超声清洗机，单次超声浸渍设定为10min，超声浸渍结束后，取出被超声浸渍的样品，放到托盘上，然后转入80℃的电热恒温鼓风干燥箱中进行干燥，设定时间为1h，取出干燥后的样品，对其进行称重，记录重量，然后使用数字万用表，用导电夹夹住样品两端，测量样品的电阻并记录，重复上述超声浸渍-干燥操作，记录数据并进行对比，直到样品电阻不再发生变化时，停止浸渍，得到基于碳纳米管的三维编织结构应变传感器。

单次单程拉伸(其余实施例测试方法相同)

使用桌上型电脑式伺服材料试验机对样品进行拉伸，用数字万用表的夹头将样品的两端夹持，同时使用导线连接织物两端，测量样品在拉伸过程中的电阻变化。由于氨纶长丝具有极好的粘弹性，氨纶三维编织物很难被拉断，在拉伸过程中氨纶三维编织物表面的碳纳米管的连接性被破坏，会使样品的电阻值变大，因此需要测定使样品电阻值至少在MΩ以上，样品的变形长度，实验测得变形长度为200％。

重复往复拉伸(其余实施例测试方法相同)

使用桌上型电脑式伺服材料试验机对样品进行拉伸，拉伸变形长度设定为200％。同时用数字万用表的夹头将样品的两端夹持，测量样品在拉伸过程中的电阻变化，分析数据，总结电阻随应变变化的滞后性。

基于碳纳米管的三维编织结构应变传感器的传感性能表征(其余实施例测试方法相同)

将样品放在桌上型电脑式伺服材料试验机上按照一定的速度拉伸至一定应变(通过单次单程拉伸测试，变形长度为200％)，同时用数字万用表记录电阻的变化，分析电阻与应变的响应情况。

在拉伸形变过程中，从织物被拉伸开始，到织物变形量到达200％确定为发明所研究柔性织物传感元件的工作范围，电阻变化量与织物拉伸长度变化量之比，为电阻灵敏度K，按下式(1)计算：

其中，ΔR是电阻变化量，ΔL是织物拉伸长度变化量。

传感器在拉伸回复过程中输出曲线不重合的现象，称为迟滞现象，该现象会导致传感器在不同形变过程中相同应变下读数不一致。

实施例2

同实施例1，不同之处仅在于多壁碳纳米管溶液的浓度为1mg/mL。

实施例3

同实施例1，不同之处仅在于多壁碳纳米管溶液的浓度为2.5mg/mL。

实施例4

同实施例1，不同之处仅在于多壁碳纳米管溶液的浓度为5mg/mL。

实施例5

同实施例1，不同之处仅在于多壁碳纳米管溶液的浓度为7.5mg/mL。

实施例6

同实施例1，不同之处仅在于多壁碳纳米管溶液的浓度为10mg/mL。

实施例7

同实施例1，不同之处仅在于编织角为50°。

实施例8

同实施例1，不同之处仅在于编织角为60°。

实施例9

同实施例3，不同之处仅在于排纱规格为3*3。

实施例10

同实施例3，不同之处仅在于排纱规格为5*5。

实施例11

同实施例3，不同之处仅在于排纱规格为3*5。

使用光学显微镜观察涂覆多壁碳纳米管前后样品表面的形貌，对比浸渍之前和浸渍之后多壁碳纳米管在其表面的吸附状态。使用扫描电子显微镜(SEM)对多壁碳纳米管涂层的三维编织物形貌结构进行观测，观察多壁碳纳米管在其表面的分散情况。图3为氨纶长丝被多壁碳纳米管溶液浸渍后的电镜扫描图，从图3中得出，氨纶长丝是由一根根纤维组成，经过在多壁碳纳米管溶液中浸渍10次以后，表面吸附了一层碳纳米管，在50倍放大倍数观察下，在0.75mg/mL浓度和1mg/mL浓度下浸渍的氨纶长丝，其表面碳纳米管吸附量少，裸露的氨纶纤维较多，不能完全将其包覆起来，并且连续性低，形成的碳纳米管涂层厚度较小，对其导电性有较大的影响。在2.5mg/mL浓度浸渍下的氨纶长丝，其表面完全被碳纳米管包裹，形成一层稳定的碳纳米管涂层，没有裸露在外的氨纶纤维，并且碳纳米管的连续性好，没有出现断层的现象，对于在5mg/mL浓度和7.5mg/mL浓度下浸渍的氨纶长丝，其表面也包覆了较多的碳纳米管，碳纳米管涂层也比较厚，但是仍有部分氨纶纤维裸露在外，出现碳纳米管断层现象，通过电镜扫描图发现碳纳米管有脱落的现象，具体原因是，碳纳米管浸渍液浓度过高时，在氨纶长丝表面形成的碳纳米管涂层较厚，但是不够稳定，过厚的碳纳米管涂层无法稳定吸附在氨纶纤维表面，从而发生脱落的现象，导致其表面碳纳米管涂层出现缺陷。从右侧放大1000倍电镜扫描图提供的信息来看，在低浓度的多壁碳纳米管溶液中浸渍的氨纶长丝表面碳纳米管涂层的缺陷较多，涂层表面凹凸不平，彼此之间的空隙较多，观察2.5mg/mL浓度的氨纶长丝放大1000倍的电镜扫描图，发现碳纳米管涂层形成度较为完整，碳纳米管涂层连续性较好，并且将氨纶纤维完全包裹住。从在5mg/mL和7.5mg/mL浓度中浸渍的氨纶长丝的放大1000倍的电镜扫描图中来看碳纳米管涂层虽然包覆了氨纶纤维表面，但出现了较多裂缝，说明碳纳米管涂层稳定性较差，容易脱落，连续性差，对其导电性能有较大影响。

将相同编织角相同排纱规格的氨纶三维编织物浸渍1到10次的重量和电阻值数据汇总，得到图4和图5，可以看到，在浓度较高的多壁碳纳米管溶液中浸渍的氨纶三维编织物的重量变化率较大，在浓度较低的溶液中浸渍的氨纶织物的重量变化率较小。从电阻的变化率来看，浸渍初期，不同浸渍浓度下织物的电阻都很大，到浸渍后期，随着浸渍次数的增加，电阻的变化率变得越来越小，逐渐趋于一条直线，由此表明，浸渍10次后，织物的导电性已经基本趋于稳定。不同浓度的电阻率变化还表明，0.75mg/mL和1mg/mL浓度的碳纳米管浸渍液浸渍效果较差，而2.5mg/mL及以上浓度的碳纳米管浸渍液浸渍效果几乎相同，但是在浸渍过程中发现，7.5mg/mL和10mg/mL浓度的碳纳米管浸渍液中碳纳米管分散不完全，会出现碳纳米管在溶液下方团聚沉淀的现象，将样品放入溶液中进行超声浸渍后，沉积的碳纳米管会吸附在样品上，烘干之后会在三维编织物上形成碳纳米管结块，结块会影响称重时的重量，也会影响测量的电阻值，使测的电阻值偏高，这种结块在下一次浸渍后会溶解又或者增厚，属于不可控制的影响，所以在考虑碳纳米管溶液的确定上，舍弃7.5mg/mL和10mg/mL的浓度，适合使用的浓度有5mg/mL和2.5mg/mL。通过上述数据比对，2.5mg/mL浓度和5mg/mL浓度的碳纳米管浸渍液在提高三维编织物导电性的效果上相差并不大，最终确定以2.5mg/mL作为碳纳米管浸渍液浸渍三维编织物的最佳溶液浓度。

不同编织角的基于碳纳米管的三维编织结构应变传感器的结构显微图见图6，可以看出，小编织角的氨纶三维编织物的结构疏松，织物间空隙较多，中编织角的空隙次之，而大编织角的三维编织物表面结构紧密，在相同浓度的多壁碳纳米管溶液中浸渍9次，从图6来看，不同编织角的三维编织物表面碳纳米管吸附程度相差无几，碳纳米管都能形成相对稳定的碳纳米管涂层。

图7是不同编织角三维编织物在多壁碳纳米管溶液浸渍过程中的重量和电阻变化，可以看到，40°编织角和50°编织角的三维编织物的重量变化率相较于60°编织角的三维编织物要大，在电阻变化的对比中，40°编织角织物的电阻变化率较大，开始电阻最大，浸渍10次后，电阻反而变为最小；50°编织角开始电阻最小，最后电阻要略大于40°编织角编织物；而60°编织角织物的初始电阻在三个编织角小组中处于中等水平，但其电阻变化率最为平缓，浸渍10次过后，60°编织角的织物电阻反而最大。这是由于小编织角织物空隙较大，初始的时候，织物在碳纳米管浸渍液中浸渍，碳纳米管浸入织物内部，织物吸附面积较大，此时，碳纳米管吸附的量少，不足以填充满织物的空隙，碳纳米管之间的连接薄弱，因此导电性差，电阻大；而大编织角的织物结构紧密，碳纳米管很难浸入织物内部，只能吸附于织物表面；而对于中编织角的织物来讲，在浸渍次数较少的情况下，中编织角的空隙较小且织物结构较为紧密，碳纳米管既能进入其结构内部，同时碳纳米管之间的距离又不会太远导致导电性差，因此初期浸渍，中编织角的电阻较小；浸渍10次以后碳纳米管便能够充分地进入小编织角织物的内部，减小碳纳米管之间的间隔，增大它们之间的联系，因此，小编织角织物的电阻快速减小，而大编织角织物由于织物结构过于紧密，碳纳米管只能吸附于织物表面，而且大编织角织物编织角大，织物结构紧密，氨纶长丝收缩，其表面积小，能吸附的碳纳米管量有限，因此浸渍10次后，60°编织角织物的电阻最大。

对不同排纱规格基于碳纳米管的三维编织结构应变传感器每次浸渍后的质量和电阻值进行记录汇总得到图8和图9；从重量变化率来看，3*3规格的织物重量变化率较大，而5*5规格的织物重量变化率较小，在浸渍后期逐渐趋于平稳的趋势，这是因为3*3编织物的初始重量小，在相同长度的情况下，规格小的编织物重量小，5*5编织物的初始重量最大，在浸渍后期，不同规格织物上碳纳米管的吸附量越来越少，而这些碳纳米管相较于3*3规格的编织物比值大，重量变化率也就大，相较于5*5规格编织物比值小，重量变化率也就小；从电阻变化率来看，3*3编织物的电阻变化率相较于其他规格织物明显要大，这是因为3*3编织物规格小，织物截面积小，织物细，其表面积小，碳纳米管能在其表面吸附的量相较于其他规格编织物小，进而导致3*3编织物的导电性要比其他规格编织物的导电性要差，同时，由于3*3规格编织物能吸附的碳纳米管量最少，3*3规格的编织物电阻变化率曲线与其他规格织物的曲线相比，要更早到达平滑曲线；4*4与5*5规格的编织物体积较大，其表面积足够大，能够吸附更多的碳纳米管，因此增大了氨纶三维编织织物的导电性；而3*5织物呈扁平状，其表面积较大，同时织物较薄，碳纳米管能够完全浸渍入织物的内部结构中，兼具了3*3规格织物和5*5规格织物的特点，因此3*5规格织物在保持重量较小的情况下，仍然能够实现较好的导电性。

将不同浓度多壁碳纳米管溶液的应变传感器在测试过程中应变和与相对应的应力数据汇总得到图10，可以看出，在样品编织规格不变的情况下，碳纳米管浸渍液的浓度对应变传感器的力学性能没有太大的影响，其中不同浓度下浸渍的样品在相同拉伸条件下的应力变化曲线相互交叉重叠，出现微小差距的原因在于样品本身编织角存在微小差距导致的，这种差距是由于编织工艺导致，在编制过程中无法控制编织角一直保持稳定，可通过改进工艺，消除编织角差异，从而达到一致。

将在测试过程中不同浓度多壁碳纳米管溶液的应变传感器的应变和与之相对应的电阻变化率数据汇总得到图11。

结果分析：

①电阻的变化率与应变的比值表示了在应力加载过程中应变传感器的灵敏度，由于在应力加载后，卸载应力时会发生碳纳米管的脱落，所以灵敏度分析只看应力加载阶段，图11中体现出在2.5mg/mL浓度下浸渍的样品的斜率最大，表明其灵敏度最高，而浸渍浓度过高的实验组，其灵敏度则较低，这是由于在高浓度碳纳米管浸渍液中浸渍的样品，其表面碳纳米管涂层较厚，在拉伸过程中，碳纳米管断裂不均匀，会有大块聚集，因此对电阻的相对较慢，灵敏度偏小；而对于浓度较低的实验组，样品表面的碳纳米管含量少，在拉伸过程中，碳纳米管之间的距离较大，因此其电阻反应也较慢。

②从图11中看出，不同浓度的实验组都表现出了一定的滞后性，这是因为氨纶本身具有粘弹性，加上三维编织结构在变形后的回复都需要一定的时间，故呈现出一定的滞后性。

③应力卸载后，所有实验组样品的电阻都增大了，碳纳米管吸附在氨纶纤维上并不牢固，原因是在加载和卸载应力过程中都会发生碳纳米管的脱落，从而导致样品在试验后导电性变差，电阻升高。

将在重复拉伸试验过程中，不同浓度多壁碳纳米管溶液的应变传感器拉伸次数和与之相对应的电阻变化率数据汇总得到图12。

结果分析：从图12中看出，不同浓度多壁碳纳米管溶液的实验组，第一次循环时能到达的电阻变化率是最高的，而在第2-5次的循环试验中，其电阻变化率的差异却并不明显，但显现出减小并趋于平稳的趋势；这是因为碳纳米管在氨纶纤维表面吸附的并不牢固，在第一次试验中大多数不稳定的碳纳米管脱落，导致电阻变化率特别大，在2-5次循环实验中只有少量的碳纳米管脱落，电阻变化率较低，并且不同循环间的差异也较小，表明所制备应变传感器在后续变形循环中应变传感性能重复性较好。

将在测试过程中不同编织角的应变传感器应变和与之相对应的应力数据汇总得到图13。

结果分析：编织角大的传感器纱线在三维空间结构交织紧密，应力-应变曲线中在相同变形条件下应力更大，表明其拉伸模量更高；40°和50°编织角织物力学性能差异较小。但不同编织角织物均出现滞后圈，是由于氨纶本身的粘弹性和三维编织结构效应所致。

将在实验过程中，不同编织角的应变传感器的应变和与之相对应的电阻变化率数据汇总得到图14。

结果分析：

①在应力加载过程中40°编织角的灵敏度系数GF为2.12，50°编织角的灵敏度系数为1.82，60°编织角的灵敏度系数为1.64，可以看出编织角小的编织传感器的灵敏度系数GF大，传感器反应灵敏度高。

②在应力加载和卸载过程中，由于氨纶本身存在粘弹性，结构恢复需要时间，所以电阻变化率存在滞后性。

③图14中50°编织角的编织传感器应力加载和卸载曲线有较多重合部分，滞后性不明显。

④不同编织角的织物在应力卸载后，由于在实验过程中碳纳米管的脱落，织物的电阻都会升高。

将在重复拉伸试验过程中，不同编织角应变传感器的拉伸次数和与之相对应的电阻变化率数据汇总得到图15。

图15为不同编织角织物进行5次循环拉伸的实验数据汇总，不同编织角织物在第一次拉伸循环中，大部分不稳定的碳纳米管会从织物传感器上脱落，电阻变化率较高，在2-5次拉伸循环中，也会有少量碳纳米管脱落，但影响不大，其电阻变化率较小，并逐渐趋于平稳，呈现出较好的应变传感稳定性。

不同排纱规格制备的应变传感器应力-应变曲线见图16。由图16可知，不同排纱规格的织物传感器力学性能存在差异。3*3排纱织物传感器模量最高，4*4次之，5*5拉伸模量最低，3*5排纱织物性能与4*4类似。这与编织结构中角纱、面纱和体纱所占比例相关。

图17为不同排纱规格制备的应力传感器电阻变化率-应变曲线。

结果分析：

①3*3排纱规格的编织传感器的灵敏度系数为2.44，4*4排纱规格的编织传感器的灵敏度系数为2.39，3*5排纱规格的编织传感器的灵敏度系数为2.24，5*5排纱规格的编织传感器的灵敏度系数为1.63，排纱规格小的编织传感器灵敏度好，电阻对于应变的反应速度快，排纱规格大的编织传感器灵敏度差，电阻对于应变的反应速度慢。

②由于氨纶丝具有粘弹性，三维编织结构变形恢复需要时间，故所有排纱规格的编织传感器都存在滞后性。

③5*5排纱规格的编织传感器的结构相对稳定，滞后性不明显。

④在实验过程中表面碳纳米管有所脱落，所有排纱规格在拉伸试验结束后，其电阻相比于实验之前增大。

将在重复拉伸试验过程中，不同排纱规格的应变传感器的拉伸次数和与之相对应的电阻变化率数据汇总得到图18。

在拉伸循环实验中，所有编织传感器规律相似，在第一次拉伸循环实验中，大部分不稳定碳纳米管脱落，导致电阻变化率较大，在2-5次拉伸循环测试中，只有少量的碳纳米管脱落，因此电阻变化率在多次拉伸循环中趋于平稳，表明样品具有较好的传感稳定性。

本发明以氨纶长丝为原料，利用1×1四步法编织技术织制三维编织物，通过多壁碳纳米管溶液浸渍改性，使织物获得导电性，同时由于变形过程中碳纳米管涂层的“连接-断开”效应具有应变传感性能。控制浸渍液浓度、浸渍次数、排纱规格和编织角大小，通过数字万用表测量其浸渍之后的电阻值，利用桌上型电脑伺服材料试验机和数字万用表测量编织传感器的拉伸能力和在拉伸过程中的电阻变化，分析其力学性能和传感性能，根据实验结果得到以下结论：

(1)利用多壁碳纳米管溶液浸渍氨纶三维编织物，可获得应变范围高达200％、灵敏度较高、重复性较好的柔性应变传感器，浸渍工艺、编织结构对传感性能均有一定影响。

(2)织物在多壁碳纳米管溶液中浸渍10次以后，碳纳米管在氨纶纤维上的吸附程度达到饱和状态，电阻变化趋于稳定。在2.5mg/mL浓度多壁碳纳米管溶液中浸渍的织物传感器灵敏度较好，浸渍液浓度过高或过低都会对灵敏度产生影响，过高碳纳米管会出现结块现象，电阻对应变的反应慢；浓度过低则碳纳米管含量少，碳纳米管之间的连接性差，灵敏度较差；在浓度为2.5mg/mL的碳纳米管浸渍液中浸渍，能够形成完整且均匀的碳纳米管涂层，有利于传感器灵敏度的提高。

(3)编织角对传感器的传感性能有一定影响，小编织角的的灵敏度系数大，传感性能好；大编织角织物应变传感器灵敏度系数较小。不同排纱规格对传感器的力学性能有较大影响，排纱规格小的编织传感器呈现出较高的拉伸模量；同时，排纱规格对编织传感器的传感性能亦有影响，排纱规格小的编织传感器灵敏度系数高于排纱规格大的编织传感器，表现出更好的应变传感性能。

(4)本发明所制备应变传感器回弹性由氨纶长丝提供，但由于氨纶丝具有粘弹性，结构恢复需要时间，故使用氨纶编织的三维编织结构应变传感器都具有一定的滞后性。

以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。