智能纤维 课程论文

智能纤维概论

摘要：

智能纤维，能够感知诸如机械、热、化学、光、湿度及电磁等环境变化或刺激,并能做出相应的反应。本文介绍导电纤维、形状记忆纤维、变色纤维、调温纤维、压电纤维等智能纤维的特征及其应用,并阐明机理。

智能纤维是能够感知环境的变化或刺激，如热、化学、光、湿度等，并对其作出反应的物体，包含传感器、执行器、中央处理器三部分，有传感、执行、调节适应的功能。

智能材料中传感系统用于测量自身温度、应变及多种环境参数，是自诊断、自适应的基础。传感器应满足强度、工艺、尺寸等的相容要求：传感器的测量动态范围应与材料的工作强度和外加载负荷相匹配；传感介质表面应与集体材料有很好的亲和能力，有近似的热膨胀系数；传感系统的埋入不应给基体材料的生产工艺带来困难，传感介质能经受基本材料制作工艺中压力、温度等条件的考验，且不影响基体材料本身的性质；埋入的传感系统应足够小，不影响基体材料组成和物理性能的连续性。

1、纤维传感器

1.1、光纤传感器

光纤传感器是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，由光源、光纤和探测器组成。机理如下图所示：

光纤传感器有抗电磁干扰、电绝缘、尺寸小、重量轻、灵敏度高、耐化学腐蚀、被测量量范围广的特性，且不会影响与复合材料的结构统一性，能够测量温度、压力、速度、流量、位移、电磁场、化学物质浓度等信号，是当前智能才老首选的信息传感和传输的理想载体。光纤材料包括有机和无机两种，有机材料是指具有极好

光学性能的塑料，无机材料是指石英玻璃、多组分玻璃、红外玻璃、掺稀土元素玻璃、蓝宝石晶体等。光通信主要采用石英光纤。

光纤传感器分类为测光强传感器、光干涉传感器和光栅传感器，布拉格光纤光栅及其衍生光栅是最好的多点和分布情况探测传感器。布拉格光栅光纤传感器的检出量是波长变化，不受光强影响，对环境干扰不敏感；输出线性范围宽，在较宽范围内波长移动与应变有良好的线性关系；测量动态范围只受光源谱宽的限制，不存在多值函数问题；光栅长度只有几毫米，测量的空间分辨率高；单根光纤单端检测，可尽量减少埋入光纤的根数和探测元件的数量；易于实现波分复用，可实现参数的分布测量；光栅制作过程无机械损伤，使用可靠。

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。用于载荷、温度引起的结构疲劳、损伤的监测、评估、自诊断；地震灾害预测等。智能蒙皮用于机翼、潜艇外壳、推进器叶片等，可以进行自诊断、评价损伤情况，辅助决策，便于进行修复或实现自动修复，并与内部执行器配合，自动监测和控制壳体震动、噪音；自动检测和调节材料的多种性能；改变自身形状。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；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，可以检测心跳、体温、血压、呼吸、判断战场上士兵手上部分和受伤程度。

1.2、导电纤维传感器

导电纤维传感器普遍的应用在柔性材料方面，种类有导电聚合物、金属和碳。聚合物具有导电性的条件是：具有共轭的 电子体系；须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。结构型导电塑料，又称本征形导电塑料，化学方法合成，本身结构或经过掺杂某些元素后具有导电功能。复合型导电塑料，物理共混，在绝缘的塑料基体中加入各种导电性物质。

导电纤维传感器应用于测量温度、应力状态、电磁辐射、化学物质种类和浓度等。可用不锈钢纤维在织物上刺绣不同的电路，此技术可用于新型服装：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制，可制成可侧压力的织物。添加碳纤维的水泥、混凝土材料具有压敏性和温敏性，可以对结构应力、温度、损伤进行自诊断，监测桥梁交通情况和车辆荷载，及进行路面温度的调节。

2、纤维执行器

纤维执行器的驱动信号是光、电、磁、热、机械、化学物质等刺激。

电驱动纤维执行器可用于人工肌肉，电致变色显示器、电化学传感器等。是利用导电聚合物在氧化还原掺杂，去掺杂过程会发生长度、体积、颜色和力学性能等的可逆转变。

化学驱动纤维执行器，如碱处理后的聚丙烯腈丝束，在环境酸碱度发生变化时，长度可逆收缩和伸长；长度变化可为原来长度的10%-50%；每cm2丝束可承受40N的拉力。低PH值时，分子链去离子化，水从网状分子链中排除进入溶液，分子链网收缩，高PH值时，分子链离子化，水从溶液中进入网状分子链，分子链网伸长。

3、形状记忆纤维

一次成型时能记忆外界赋予的形状，冷却时可以任意改变形状，并在更低温度下二次成型，当再次加热时可逆地回复到原始形状的纤维。形状记忆的诱因可以是热能、光能、电能等物理因素，也可以是酸碱度等化学因素。

镍钛合金纤维的研究和应用最普遍，典型应用于绝缘基体中自诊断、自愈合、医疗矫正、形状记忆服装等。形状记忆聚合物纤维主要为聚酯、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，也可用于手术缝合线或医疗植入物。广泛用于外套舞蹈紧身衣等的形状记忆丝绸，是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、100℃、高压热定型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。

4、变色纤维

变色纤维是一种具有特殊组成或结构，在受到光、热、压力、电场、水分或辐射等外界刺激后可逆、自动改变颜色的纤维。可分为光敏变色纤维、热敏变色纤维、电致变色纤维。

光敏变色纤维在某种波长的光的照射下会发生变色，而在另一种波长的光的作用下会发生可逆变化，恢复到原来的颜色。有机类光敏变色材料是指具有异构体的有机物，如螺吡喃、萘吡喃、螺亚嗪、降冰片烯衍生物等。无机类的光敏变色材料掺杂单晶的SrTiO3。

光敏变色机理有四种：分子异构化；分子自由基离解；分子离子裂解；氧化还原反应。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可制得纤维。如光致变色纱线，在紫外光照射下可呈橙、紫、蓝、洋红、黄、红、绿等颜色；将光敏变色物质包裹在微胶囊中可对纺织品进行印花。如螺吡喃类光敏化合物，织物经350－400nm紫外线照射：无色→浅蓝色或深蓝色。光敏变色纤维主要应用于娱乐服装、装饰品、安全服和防伪制品。

热敏变色纤维是随温度变化颜色发生变化的纤维。纤维的制备是将热敏变色剂填充到纤维内部，将含热敏变色微胶囊的氯乙烯聚合物溶液涂于纤维表面，经热处理使溶液呈凝胶状。

有机热敏变色材料分为液晶类和分子重排类染料。液晶类的螺旋体结构对温度非常敏感，随温度的变化发生伸缩，反射和透射的光波长随之变化，产生不同颜色；液晶本身的光学各向异性也会产生颜色变化。分子重排类染料通过对温度敏感的物质使介质pH值发生变化，从而引起染料分子重排，进而导致颜色的可逆变化。可应用于制成微胶囊后再进行纺织品的印花或涂层加工。

5、调温纤维

调温纤维是指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。应用了相变材料在相变过程中的吸收和释放热量的效应。

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；相变过程中，材料本身的温度几乎保持不变。

6、压电纤维

压电陶瓷纤维是基于溶胶-凝胶法的工艺，

易烧结，耐高温，极化需大电场、高温差、弹

性差。压电聚合物纤维形变大、弹性好、密度

小、耐热性差，应用于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。

智能材料作为新兴的高科技材料，应用前景非常广阔，在医药、建筑、服装、军事等各种领域都可以有很广泛地应用。但是，目前在技术方面还有很多部分不够成熟，所以并没有能够实现产业化。相信随着科技的进步，智能纤维的普遍应用将成为可能，这将对如今的生活有着极大的改善。