CN113015883B - 芯-鞘结构的纤维型变形率传感器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及芯‑鞘结构的纤维型变形率传感器及其制造方法，本发明的芯‑鞘结构的纤维型变形率传感器包括构成芯的纤维支撑体和在纤维支撑体上形成的多层结构的鞘层，可以制造借助于芯纤维而提高强度和刚性、借助于弹性体层而改善噪声水平、借助于夹层结构的导电层而提高测量信号的线性的纤维型传感器，具有在复合材料结构内不作为缺陷而发挥作用并能够稳定地测量变形率的优点。

Description

芯-鞘结构的纤维型变形率传感器及其制造方法
技术领域
本发明涉及芯-鞘结构的纤维型变形率传感器及其制造方法，更详细而言，涉及一种具有借助于芯纤维而提高强度和刚性、借助于弹性体层而改善噪声水平、借助于夹层结构的导电层而提高测量信号的线性的效果的芯-鞘结构的纤维型变形率传感器及其制造方法。
背景技术
借助于纤维强化复合材料卓越的比强度、比刚性、衰减等多样特性，其应用不仅是航天、航空领域，而且在汽车等广泛的应用领域也呈日益增加的趋势。但是，当对结构物反复施加负载时，在作为复合材料内最薄弱之处的加强纤维与基材树脂间界面(Interface)发生断裂，这成为可能导致结构物整体崩溃的片层(Laminar)的层间剥离现象(Delamination)的原因。因此，正在就利用能够事先确认、预防这种复合材料内缺陷的传感器网络的结构健康监测(Structural Health Monitoring)进行了活跃研究。
在原有结构健康监测系统中，一般使用变形测量器(Strain gauge)和光纤光栅传感器(Fiber Bragg Grating sensor)。
就变形率测量器而言，虽然具有容易附着、灵敏度(Sensitivity)高的优点，但存在的缺点是，无法插入(Embedding)片层之间使用，为了检测微小缺陷而需要大量的传感器节点(Node)。就光纤光栅传感器而言，虽然具有可以作为插入型使用的优点，但由于比加强纤维更大的直径、更低的机械物性，存在在复合材料内部作为另一种缺陷而发挥作用的问题。
为了解决这种原有系统的问题，具有独特的电气机械(Electromechanical)特性并可根据使用的材料组合而自由设计物性的导电颗粒加强纳米复合材料(Conductiveparticle-based nanocomposite)可以用作替代方案。但是，就原有纳米复合材料传感器而言，为了应用于生物及可穿戴设备领域而专注于开发具有柔软特性的传感器，虽然不适合于复合材料结构的结构健康监测系统，但大部分研究将重点置于提高灵敏度。
例如如果考查韩国公布专利第10-2016-0118025号，公开了一种在基板上形成纳米层而具有导电性的变形率传感器。但是，基板本身直接承受此时施加的负载，因而具有在具有高负载的结构物中不适用的缺点。
因此，就用于复合材料结构物的结构健康监测的传感器而言，迫切需要开发一种变形率传感器，具有高机械特性，以便可以在不降低复合材料物性的情况下作为插入型使用，为了稳定感测变形率而具有低噪声水平(Noise level)、高线性(Linearity)。
发明内容
技术问题
因此，本发明要解决的课题是提供一种在能够支撑负载的同时具有适于感测复合材料结构物的变形率的噪声水平及线性的变形率传感器及其制造方法。
解决手段
本发明的一个实施例为芯-鞘结构的纤维型变形率传感器，其特征在于，包括：构成芯的纤维支撑体；及在所述纤维支撑体上形成的多层结构的鞘层；所述鞘层包括：在所述纤维支撑体上形成的第一弹性体；在所述第一弹性体上形成的导电层；及在所述导电层上形成的第二弹性体；所述传感器根据所述导电层的电阻变化而感测将所述传感器包括在其中的结构物的变形率。
更具体而言，所述导电层可以是由具有相异导电性的至少两个单位导电层依次层叠的夹层结构。
此时，所述单位导电层可以包括导电性颗粒，所述两个单位导电层可以采用相异的导电性颗粒的重量％，具有相异导电性。具体而言，其特征在于，所述导电层为包括第一单位导电层、第二单位导电层及第一单位导电层的夹层结构，所述第二单位导电层的导电性颗粒的百分数低于所述第一单位导电层的导电性颗粒的百分数。
所述纤维支撑体可以为单丝(Single filament)。
另一方面，所述第一弹性体及第二弹性体可以具有高于所述纤维支撑体的泊松比(Poison’s ratio)，所述第一弹性体及第二弹性体作为弹性体，可以包括选自由聚氨酯(PU)、聚二甲硅氧烷(PDMS)、天然橡胶(NR)、丁二烯橡胶(BR)、丁苯橡胶(SBR)、丁腈橡胶(NBR)及乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)构成的组的某一种。
而且，所述导电性颗粒可以包括选自由碳纳米管、石墨烯、银纳米层及金纳米层构成的组的某一种。
本发明的一个实施例为芯-鞘结构的纤维型变形率传感器制造方法，其特征在于，包括：在纤维支撑体上涂覆第一弹性体的步骤；将夹层结构的导电层涂覆于所述第一弹性体上的步骤；及将第二弹性体涂覆于所述导电层上的步骤；所述夹层结构的导电层是具有相异导电性的单位导电层依次层叠的结构。
所述涂覆可以以浸渍(dipping)或喷雾(spray)方式进行。
而且，所述单位导电层可以包括导电性颗粒，所述两个单位导电层可以采用相异的导电性颗粒的重量％，具有相异导电性。
此时，所述导电层可以是包括第一单位导电层、第二单位导电层及第一单位导电层的夹层结构，所述第二单位导电层的导电性颗粒的百分数可低于所述第一单位导电层的导电性颗粒的百分数，其特征在于，所述纤维支撑体为单丝(Single filament)。
另一方面，所述第一弹性体及第二弹性体可以具有高于所述纤维支撑体的泊松比(Poison’s ratio)，所述第一弹性体及第二弹性体作为弹性体，可以包括选自由聚氨酯(PU)、聚二甲硅氧烷(PDMS)、天然橡胶(NR)、丁二烯橡胶(BR)、丁苯橡胶(SBR)、丁腈橡胶(NBR)及乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)构成的组的某一种。
而且，所述导电性颗粒可以包括选自由碳纳米管、石墨烯、银纳米层及金纳米层构成的组的某一种。
发明效果
借助于利用本发明的超高强度芯纤维和包括弹性体层及夹层结构的层叠型导电层的多层鞘结构的传感层，可以制备借助于芯纤维而提高强度和刚性、借助于弹性体层而改善噪声水平、借助于夹层结构的导电层而提高测量信号的线性的纤维型传感器，可以在复合材料结构内不作为缺陷进行作用并稳定地测量变形率。因此，具有的优点是，解决了在复合材料结构物内曾作为缺陷进行作用的原有传感器的问题，可以应用于更多样领域，可以获得具有可靠性的测量结果，由于可以以连续式进行制作，因而具有可以比原有传感器降低制作单价的优点。
附图说明
图1是显示本发明一个实施例的芯-鞘形态的纤维型变形率传感器的结构的模式图。
图2是显示本发明实施例的芯-鞘结构的纤维型变形率传感器的构成的图。
图3是显示本发明一个实施例的芯-鞘结构的纤维型变形率传感器制造方法的过程的顺序图。
图4是显示本发明一个实施例在制造纤维支撑体时使用的干喷湿法纺丝系统的模式图。
图5是显示本发明一个实施例的用于形成多层结构的鞘结构所需的涂覆工序的模式图。
图6是显示实施例制造的UHMWPE纤维的DSC分析结果的图表。
图7是显示实施例制造的UHMWPE纤维的机械性质的图表((a)拉伸强度、(b)拉伸模量)。
图8是显示实施例制造的纤维型变形率传感器的表面形态和电阻的图表((a)MWCNT(多壁碳纳米管)层的涂覆厚度及表面形态、(b)传感器纤维的电阻)。
图9是显示纤维型变形率传感器的变形灵敏度的测量结果的图。
图10是显示本发明实施例的电气网络的电路图的图。
图11是实施例1及3制造的纤维型变形率传感器的SNR测量值的图。
图12是显示实施例1及3制造的纤维型变形率传感器的变形分布图的图。
图13是显示实施例1及3制造的纤维型变形率传感器的MWCNT层中的辐射型变形的图。
图14是显示实施例2至4制造的纤维型变形率传感器的1000周期以上的相对于时间的ΔR/Ro测量值及电气网络的概略图的图。
图15是显示DP-MC的滞后曲线的图。
具体实施方式
本发明可以施加多样的变更，可以具有多种实施例，将在附图中示例性图示特定实施例并在正文中详细说明。
但是，这并非要把本发明限定于特定的实施形态，应理解为包括本发明的思想及技术范围内包含的所有变更、均等物以及替代物。在说明本发明方面，当判断认为对相关公知技术的具体说明可能混淆本发明要旨时，省略该详细说明。
在本申请中使用的术语只是为了说明特定实施例而使用的，并非要限定本发明之意。只要在文理上未明白地表示不同，单数的表现包括复数的表现。
在本发明中，“包括”或“具有”等术语应理解为，是要指定存在在说明书上记载的特征、数字、步骤、动作、构成要素、部件或它们的组合，不预先排除一个或其以上的其它特征或数字、步骤、动作、构成要素、部件或它们的组合的存在或附加可能性。
本发明涉及芯-鞘结构的纤维型变形率传感器及其制造方法，更详细而言，涉及一种具有借助于芯纤维而提高强度和刚性、借助于弹性体层而改善噪声水平、借助于夹层结构的导电层而提高测量信号的线性的效果的芯-鞘结构的纤维型变形率传感器及其制造方法。
下面详细地说明本发明。
发明的实施方式
图1是显示本发明一个实施例的芯-鞘形态的纤维型变形率传感器的结构的模式图。
如果参照图1，本发明一个实施例的芯-鞘(core-shell)形态的纤维型变形率传感器1包括构成芯的纤维支撑体10及在所述纤维支撑体10上形成的多层结构的鞘层20构成，所述鞘层20包括在所述纤维支撑体10上形成的第一弹性体21、在所述第一弹性体21上形成的导电层22及在所述导电层22上形成的第二弹性体21'。
此时，其特征在于，所述芯-鞘形态的纤维型变形率传感器1根据导电层22的电阻变化，感测将所述传感器包括在其中的结构物的变形率。
本发明一个实施例的芯-鞘形态的纤维型变形率传感器1可以借助于构成芯的纤维支撑体10而提高强度和刚性，借助于弹性体而改善噪声水平，借助于所述导电层22而提高测量信号的线性，在复合材料结构内不作为缺陷而进行作用，稳定而容易地测量变形率。作为参考，在通常的传感器的情况下，当作为插入型使用时，在复合材料内部作为缺陷而进行作用，但应用高强度芯纤维的本发明芯-鞘形态的纤维型变形率传感器1，可以减小与复合材料中使用的加强纤维的机械物性差异，具有可以在保持整体结构物的结构可靠性的同时，监视结构内部的变形率分布的优点。
首先，构成芯的纤维支撑体10可以为单丝(Single filament)，可以使用具有优秀机械特性的超高分子量聚乙烯类高分子(Ultra High Molecular Weight Polyethylene：UHMWPE)。而且，所述纤维支撑体10为了制造成纤维形状，可以利用干喷湿法纺丝、湿法纺丝等湿法工序而制造。
具体而言，初始纺丝的纤维经过热轧辊之间而被延伸，通过沿纤维长度方向排列分子链而可以实现机械物性最大化。此时，最佳处理条件可以在高分子材料的熔点及重结晶温度之间的范围决定。
然后，弹性体均一涂覆于纤维支撑体10的表面，可以利用浸涂、喷涂等方法涂覆，作为一个示例，可以利用浸涂方法涂覆。
其特征在于，所述第一弹性体21及第二弹性体21'具有高于所述纤维支撑体10的泊松比(Poison’s ratio)。
其中，所谓“泊松比”，作为当对材料施加垂直应力时横向变形与纵向变形之比，可以意味着在掌握弹性变形区域中的变形方面要着重考虑的材料行为的指数。
具体而言，所述第一弹性体21及第二弹性体21'作为弹性体，可以包括选自由聚氨酯(PU)、聚二甲硅氧烷(PDMS)、天然橡胶(NR)、丁二烯橡胶(BR)、丁苯橡胶(SBR)、丁腈橡胶(NBR)及乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)构成的组的某一种。第一弹性体21及第二弹性体21'可以由相互相同的弹性体构成，或可以由互不相同的弹性体构成。作为一个示例，第一弹性体21及第二弹性体21'可以为聚氨酯(PU)。
特别是就所述第一弹性体21及第二弹性体21'而言，包围后述导电层22的两个弹性体层21、21'诱导导电层22产生压缩变形(compressive deformation)，阻止导电性网络(conductive network)沿纤维半径方向的断裂，可以极大减小传感器的噪声水平。
而且，所述导电层22可以是具有相异导电性的至少两个单位导电层22依次层叠的夹层结构。具体而言，所述单位导电层22包括导电性颗粒，所述两个单位导电层22可以采用相异的导电性颗粒的重量％，具有相异的导电性。更具体而言，可以使具有稳定响应特性的导电性颗粒的重量百分数(weight percent)高的层与具有高灵敏度的低浓度的层交替层叠而制造。特别是夹层结构的导电层22由于并联连接效果而相互弥补各层的特性，可以体现线性卓越且灵敏的传感器。
例如，所述导电层22可以是包括第一单位导电层221、第二单位导电层222及第一单位导电层221的夹层结构，所述第二单位导电层222可以具有百分数比所述第一单位导电层221的导电性颗粒的百分数低的导电性颗粒。
所述导电性颗粒可以包括选自由碳纳米管、石墨烯、银纳米层及金纳米层构成的组的某一种，作为一个示例，可以为碳纳米管。
更具体而言，所述导电层22的材料可以使用导电性颗粒分散的水系涂覆溶液，为了更稳定的感测，可以使用在热可塑性(Thermoplastic)高分子中分散有导电性颗粒的涂覆溶液。进一步而言，可以改变夹层型导电层22的层叠顺序及层叠数而设计所希望的特性。当以这种方式制作纤维型变形率传感器1时，从纤维支撑体10的制作直至鞘层20的形成，可通过连续工序而制造，具有可以减小制作单价的优点。
图2是显示本发明实施例的芯-鞘结构的纤维型变形率传感器的构成的图。
图3是显示本发明一个实施例的芯-鞘结构的纤维型变形率传感器制造方法的过程的顺序图。参照图3，说明本发明一个实施例的芯-鞘结构的纤维型变形率传感器1的制造方法。
具体而言，本发明一个实施例的芯-鞘结构的纤维型变形率传感器1的制造方法包括：在纤维支撑体10上涂覆第一弹性体21的步骤S100；将夹层结构的导电层22涂覆于所述第一弹性体21上的步骤S200；及将第二弹性体21'涂覆于所述导电层22上的步骤S300。
此时，所述夹层结构的导电层22可以是具有相异导电性的单位导电层22依次层叠的结构。
首先，构成芯的纤维支撑体10可以为单丝(Single filament)，可以使用具有优秀机械特性的超高分子量聚乙烯类高分子(Ultra High Molecular Weight Polyethylene：UHMWPE)。
为了制造所述纤维支撑体10，可以利用干喷湿法纺丝、湿法纺丝等湿法工序而制造。作为一个示例，使UHMWPE粉末溶解于溶剂而准备纺纱溶液，利用所述纺纱溶液，通过干喷湿法纺丝法来制造纤维支撑体10。
而且，初始纺丝的纤维经过热轧辊之间而被延伸，通过沿纤维长度方向排列分子链而可以使机械物性最大化。此时，最佳处理条件可以在高分子材料的熔点及重结晶温度之间的范围决定。
然后，在各个涂覆的步骤S100、S200、S300中，涂覆工序可以以浸渍(dipping)或喷雾(spray)方式进行，作为一个示例，可以以浸涂方法涂覆。
其特征在于，所述第一弹性体21及第二弹性体21'具有高于所述纤维支撑体10的泊松比(Poison’s ratio)。
其中，所谓“泊松比”，作为当对材料施加垂直应力时横向变形与纵向变形之比，可以意味着在掌握弹性变形区域中的变形方面要着重考虑的材料行为的指数。
具体而言，所述第一弹性体21及第二弹性体21'作为弹性体，可以包括选自由聚氨酯(PU)、聚二甲硅氧烷(PDMS)、天然橡胶(NR)、丁二烯橡胶(BR)、丁苯橡胶(SBR)、丁腈橡胶(NBR)及乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)构成的组的某一种。第一弹性体21及第二弹性体21'可以由相互相同的弹性体构成，或可以由互不相同的弹性体构成。作为一个示例，第一弹性体21及第二弹性体21'可以为聚氨酯(PU)。
特别是就所述第一弹性体21及第二弹性体21'而言，包围后述导电层22的两个弹性体层21、21'诱导导电层22产生压缩变形(compressive deformation)，阻止导电性网络(conductive network)沿纤维半径方向的断裂，可以极大减小传感器的噪声水平。
而且，所述单位导电层22包括导电性颗粒，所述两个单位导电层22采用相异的导电性颗粒的重量％，具有相异的导电性。更具体而言，可以使具有稳定响应特性的导电性颗粒的重量百分数(weight percent)高的层与具有高灵敏度的低浓度的层交替层叠而制造。特别是夹层结构的导电层22由于并联连接效果而相互弥补各层的特性，可以体现线性卓越且灵敏的传感器。
例如，所述导电层22可以是包括第一单位导电层221、第二单位导电层222及第一单位导电层221的夹层结构，所述第二单位导电层222可以具有百分数比所述第一单位导电层221的导电性颗粒的百分数低的导电性颗粒。
所述导电性颗粒可以包括选自由碳纳米管、石墨烯、银纳米层及金纳米层构成的组的某一种，作为一个示例，可以为碳纳米管。
更具体而言，所述导电层22的材料可以使用导电性颗粒分散的水系涂覆溶液，为了更稳定的感测，可以使用在热可塑性(Thermoplastic)高分子中分散有导电性颗粒的涂覆溶液。进一步而言，可以改变夹层型导电层22的层叠顺序及层叠数而设计所希望的特性。当以这种方式制作纤维型变形率传感器1时，从纤维支撑体10的制作直至鞘层20的形成，可通过连续工序而制造，具有可以减小制作单价的优点。
据此制造的芯-鞘结构的纤维型变形率传感器1，通过在强度及刚性高的纤维支撑体10的表面上形成包括弹性体(Elastomer)层与导电层22的多层鞘，从而当在复合材料结构物内作为插入型使用时，可以在提高对诸如拉伸、压缩、冲击或曲折负载的外部负载的支撑力的同时，通过导电层22的电阻变化感测而测量变形率。
下面通过实施例及实验例，更详细地说明本发明。
不过，下述实施例及实验例只是对本发明举例，并非本发明的内容限定于下述实施例及实验例。
<实施例>
实施例1～4.芯-鞘结构的纤维型变形率传感器的制造
构成芯的纤维支撑体的制造
利用湿式工序，制造超高分子量聚乙烯类纤维支撑体(芯纤维)。具体而言，纤维支撑体利用图4所示的干喷湿法纺丝系统而制造。
首先，混合UHMWPE粉末(U050：平均分子量5x106 g/mol，大韩油化)与石蜡油(西格玛奥德里奇公司)。而且，在后续溶解工序中，为了用于提高UHMWPE链移动性的膨润工序而在100℃下保持24小时时间。将所述膨润的UHMWPE粉末在170℃下，在4小时期间溶解于石蜡油，制造了4重量％的溶液，在所述温度下，在纺丝溶液注射器中保管2小时时间，使所述UHMWPE溶液的分子链稳定化。
然后，使用干喷湿法纺丝法对UHMWPE芯纤维进行纺丝。另一方面，所述UHMWPE溶液为了防止所述溶液的热分解并从喷嘴均一挤出，以0.2Mpa的N2气体压力供应给喷嘴，制造UHMWPE纤维。
而且，去除所述UHMWPE纤维内残留的石蜡油。
多层结构鞘层的形成
首先，为了使所制造的UHMWPE纤维的机械物性最大化，经过速度不同的各个辊，进行热轧处理。
而且，在所述UHMWPE纤维上形成多层结构的鞘层。图5是显示本发明一个实施例的用于形成多层结构的鞘结构的涂覆工序的模式图。
参照图5，说明多层结构的鞘层形成方法。
首先，使所述UHMWPE纤维浸渍于PU水溶液(CRP 26301，T&L公司)，20秒后从水溶液中抽出。接着，将涂覆了PU的纤维在80℃下干燥3分钟时间。将该过程反复3次。
而且，使用MWCNT水溶液(锦湖石油化学公司)，以如上所述的方法在涂覆了PU的UHMWPE纤维上形成导电层(实施例1～4)。实施例1～4的导电层结构显示于下表1中。另一方面，就夹层结构的导电层而言，以相同的涂覆程序，分别涂覆3重量％MWCNT的第一单位导电层、2重量％MWCNT的第二单位导电层及3重量％MWCNT的第三单位导电层。
接着，将涂覆为导电性层的UHMWPE纤维在60℃烘箱中干燥1小时时间，从MWCNT层去除过量水。
最后，在形成了所述导电层的UHMWPE纤维上涂覆第二PU层，制造了芯-鞘结构的纤维型变形率传感器。
【表1】
MWCNT层结构
实施例1(SP-SC3) 单层：3wt％
实施例2(DP-SC2) 单层：2wt％
实施例3(DP-SC3) 单层：3wt％
实施例4(DP-MC) 多层夹层：3/2/3wt％
<实验例>
实验例1.UHMWPE纤维的DSC(差示扫描量热法)分析
分析UHMWPE纤维的DSC，将其结果显示于图6。
图6显示出纺丝的UHMWPE纤维的DSC分析结果。
结果，确认了纺丝的纤维的结晶及熔融温度分别为119及133℃。
在UHMWPE纤维熔点附近，聚合物链的移动性增高。此时，纤维的非晶区域在外力及温度容易转换结晶。
另外，加热的纤维冷却到结晶温度附近时，不仅是结晶区域，非晶区域也进行再结晶。
该现象由于结晶性及链排列增加，可以提高UHMWPE纤维的机械特性。
实验例2.UHMWPE纤维的机械特性分析
分析了实施例制造的UHMWPE纤维的机械特性。而且，将其结果显示于图7。
图7是显示实施例制造的UHMWPE纤维的机械性质的图表((a)拉伸强度、(b)拉伸模量)。
如果参照图7可知，就芯纤维的拉伸强度及模量而言，随着延伸比及热轧温度的增加，芯纤维的拉伸强度及模量提高。这被认为是因为芯-纤维的结晶度因热轧工序期间分子链的再排列或再配向而增加。
特别是最高拉伸强度及模量在最高处理温度下出现，这种现象可以根据纺丝纤维的热分析结果而说明。
实验例3.纤维型变形率传感器的表面形态和电阻测量
测量了实施例制造的纤维型变形率传感器的表面形态和电阻。
而且，将其结果显示于图8。图8是显示实施例制造的纤维型变形率传感器的表面形态和电阻的图表((a)MWCNT(多壁碳纳米管)层的涂覆厚度及表面形态、(b)传感器纤维的电阻)。
首先，图8中的(a)与涂覆顺序相关联，显示了涂覆的纤维的表面形态。如果参照图8中的(a)可知，MWCNT涂层借助于浸涂法而在纤维上均一地形成。MWCNT涂层的厚度通过多样次数的浸涂，始终控制为4μm。
而且，图8中的(b)显示了纤维型变形率传感器的电阻测量结果。如果参照图8中的(b)，表现出电阻与MWCNT层的浓度有关。具体而言，相比DP-SC2，DP-SC3的电气通路致密地形成，因而电阻减小。
结果，表现出重量集中的试片具有低电阻值。特别是夹层结构化的MWCNT层试片的电阻值，由于低浓度层与高浓度层的组合，表现出DP-SC2与DP-SC3之间的中间结果。
实验例4.纤维型变形率传感器的灵敏度测量
测量了实施例制造的纤维型变形率传感器的灵敏度。
而且，将其结果显示于图9。图9是显示纤维型变形率传感器的变形灵敏度的测量结果的图。
图10是显示本发明实施例的电气网络的电路图的图。
如果参照图9，在实施例1～4中，均表现出灵敏度增加的倾向。这是因为，由于拉伸负载而导致导电性网络破损，导电性层的电阻发生变化。而且，如果对传感器施加外部拉伸负载，则MWCNT的相对距离增大。因此，层电阻因MWCNT网络断开而增加。
如果参照图9中的(a)、(b)及图10，单一PU层结构比双重PU层结构更灵敏，单一PU层结构下灵敏度高的理由如图10中的(a)所示，是因为由于CNT层的半径方向的拉伸变形，CNT之间的距离急剧增加，导致电阻急剧变化。相反，如图10中的(b)、(c)所示，当施加外部拉伸负载时，沿半径方向发生压缩变形，因而相对于双重PU层结构的电阻变化比较小。
如果参照图9中的(b)，实施例2的纤维型变形率传感器表现出最高灵敏度和非线性形态，这被认为是因为MWCNT的浓度低。作为参考，当MWCNT层的浓度低时，隧穿效应在电气路径的形成中，比MWCNT的直接接触占优，因而发生所述现象。如果电气路径之一因外部负载而断开，则导电层的总电阻急剧增加。另一方面，在实施例2的情况下，灵敏度虽高，但电气路径弱，感测响应会不稳定。
在实施例2的情况下，GF拟合结果也确认了相应传感器的非线性行为。具体而言，3～4％变形率下的GF值比1～2％变形率范围大幅增加达161％。
如果参照图9中的(c)可知，在实施例3的情况下(c)，由于MWCNT浓度增加，灵敏度曲线的线性比实施例2改善。而且，在应变计灵敏系数(GF)拟合结果中，实施例3的GF比1～2％变形率范围增加50％以上。如果MWCNT含量增加，则电气路径数增加，因而实施例3以低于实施例2的噪声水平(Noise level)表现出稳定的响应。实施例3的最大灵敏度比实施例2减小55％。
基于具有单MWCNT层结构的光纤维传感器的灵敏度测量结果，确认了使用单一层结构，感测响应的线性提高有限。
应变传感器的线性响应对准确的应变感测、信号处理及使用至关重要。因此，在实验例中，为了提高感测响应的线性，导入了夹层结构的MWCNT层。
如图9中的(d)所示，从具有夹层结构化的MWCNT层的传感器纤维灵敏度测量结果可知，线性感测响应得到改善。可知这是相异浓度的MWCNT层组合对提高测量信号的线性有效。
实验例5.纤维型变形率传感器的SNR值测量
测量了实施例1及3制造的纤维型变形率传感器的信噪比(SNR)值。
而且，将其结果显示于图11。图11是显示实施例1及3制造的纤维型变形率传感器的SNR测量值的图。其中，SNR根据下式，SNR用于度量信号对噪声的相对大小，SNR越大，意味着噪声影响越小。
Figure BDA0002530817010000131
其中，S是来自纤维传感器的电阻感测信号，σ是电阻感测信号的标准偏差。
如果参照图11，DP-SC3的平均SNR值与SP-SC3的平均SNR值比较时，高出359％，这意味着双重PU层使噪声水平减小。
图12是显示实施例1及3制造的纤维型变形率传感器的变形分布图的图。
如果参照图12，在SP-SC3的单一PU层中，借助于泊松效应，芯纤维的辐射状收缩将MWCNT层拉向辐射状方向，向MWCNT层的辐射状方向发生拉伸变形，这会破坏MWCNT层的电气网络(a)。相反，在DP-SC3的双重PU层中，MWCNT层与UHMWPE芯纤维之间的第一PU层因低弹性系数而补偿了相对于MWCNT层的芯纤维收缩效果，因而压缩变形沿MWCNT层的半径方向生成(b)。所述效果如图12中的(b)所示，可以借助于芯纤维与MWCNT层的沿半径方向的泊松收缩导致的第一PU层沿半径方向的相当的拉伸变形而确认。这与所述图11相关联，意味着双重PU层防止导电层的电气网络故障，从而对减小纤维传感器的噪声水平产生积极影响。
图13是显示实施例1及3制造的纤维型变形率传感器在MWCNT层中的辐射型变形的图。
如果参照图13，DP-SC3的MWCNT层中的辐射型变形率低于SP-SC3的MWCNT层中的辐射型变形率。因此，与所述图11及图12相关联，可以确认双重PU层防止MWCNT层电气网络故障而减小噪声的效果。
实验例6.纤维型传感器的1000周期以上的相对于时间的ΔR/Ro值测量
测量了实施例2至4制造的纤维型变形率传感器的1000周期以上的相对于时间的ΔR/Ro值。
而且，将其结果显示于图14。图14是显示实施例2至4制造的纤维型变形率传感器的1000周期以上的相对于时间的ΔR/Ro测量值及电气网络的概略图的图。其中，Ro是拉伸负载应用前初始电阻，ΔR是拉伸变形导致的电阻变化值。
如果参照图14，实施例2至4均表现出可恢复的信号反应，这起因于PU层。另外，由于PU层的柔软性及伸缩性，在解除延伸周期期间，过滤网络崩溃及再构成稳定地反复。
PU层的优秀粘合特性可以与MWCNT层形成强界面结合，反复性本身可以借助于PU层而体现，但诸如信号变动的电气信号的稳定性，受到MWCNT层的电气网络坚固性影响。由于这种理由，在双重PU层的实施例2至4中，观察到相异的信号模式。
更具体而言，在DP-SC2中，各周期后，导电性网络并未完全恢复，因而在载入-卸载周期期间，感测信号不稳定。另外，在高周期下，低变形范围下的相对电阻变化因在以前周期中形成的MWCNT波形结构(或弯曲结构)而表现出非单调反应(a)。DP-SC3表现出比DP-SC2更稳定的反应，但在1000周期后，峰值电阻每次10％地逐渐减小(b)，相反，DP-MC的100周期的初始与最终之间的峰值电阻的减小率不足1％(c)，这是因为，多重导电性MWCNT层形成高密度的导电性过滤网络，从而在周期测试中，信号响应稳定地实现。
图15是显示DP-MC的滞后曲线的图。
如果参照图15，使用DP-MC的单一延伸-释放周期表现出约6％的滞后，这低于以前报告的纤维型变形率传感器。
产业上的应用可能性
根据本发明的芯-鞘结构的纤维型变形率传感器在需要感测复合材料结构物的变形率的航天、航空、汽车领域等广泛的应用领域中具有产业上的应用可能性。

Claims (13)

1.一种同轴芯-鞘结构的纤维型变形率传感器，其特征在于，包括：
构成芯的纤维支撑体；及
在所述纤维支撑体上形成的多层结构的鞘层；
所述鞘层包括：
在所述纤维支撑体上形成的第一弹性体；
在所述第一弹性体上形成的导电层；及
在所述导电层上形成的第二弹性体，
其中，所述传感器根据所述导电层的电阻变化而感测将所述传感器包括在其中的结构物的变形率，所述导电层是由具有相异导电性的至少两个单位导电层依次层叠的夹层结构，所述单位导电层包括导电性颗粒，所述至少两个单位导电层采用相异的导电性颗粒的重量百分数而具有相异导电性。
2.根据权利要求1所述的纤维型变形率传感器，其特征在于，所述导电层为包括第一单位导电层、第二单位导电层及第一单位导电层的夹层结构，所述第二单位导电层的导电性颗粒的重量百分数低于所述第一单位导电层的导电性颗粒的重量百分数。
3.根据权利要求2所述的纤维型变形率传感器，其特征在于，所述纤维支撑体为单丝。
4.根据权利要求1所述的纤维型变形率传感器，其特征在于，所述第一弹性体及第二弹性体具有高于所述纤维支撑体的泊松比。
5.根据权利要求4所述的纤维型变形率传感器，其特征在于，所述第一弹性体及第二弹性体包括选自由聚氨酯、聚二甲硅氧烷、天然橡胶、丁二烯橡胶、丁苯橡胶、丁腈橡胶及乙烯-醋酸乙烯酯共聚物构成的组的某一种。
6.根据权利要求1所述的纤维型变形率传感器，其特征在于，所述导电性颗粒包括选自由碳纳米管、石墨烯、银纳米层及金纳米层构成的组的某一种。
7.一种同轴芯-鞘结构的纤维型变形率传感器制造方法，其特征在于，包括：
在作为芯的纤维支撑体上涂覆第一弹性体的步骤；
将夹层结构的导电层涂覆于所述第一弹性体上的步骤；及
将第二弹性体涂覆于所述导电层上的步骤，
其中，所述夹层结构的导电层是具有相异导电性的至少两个单位导电层依次层叠的结构，所述单位导电层包括导电性颗粒，所述至少两个单位导电层采用相异的导电性颗粒的重量百分数而具有相异导电性。
8.根据权利要求7所述的纤维型变形率传感器制造方法，其特征在于，所述涂覆以浸渍或喷雾方式进行。
9.根据权利要求7所述的纤维型变形率传感器制造方法，其特征在于，所述导电层是包括第一单位导电层、第二单位导电层及第一单位导电层的夹层结构，所述第二单位导电层的导电性颗粒的重量百分数低于所述第一单位导电层的导电性颗粒的重量百分数。
10.根据权利要求7所述的纤维型变形率传感器制造方法，其特征在于，所述纤维支撑体为单丝。
11.根据权利要求7所述的纤维型变形率传感器制造方法，其特征在于，所述第一弹性体及第二弹性体具有高于所述纤维支撑体的泊松比。
12.根据权利要求7所述的纤维型变形率传感器制造方法，其特征在于，所述第一弹性体及第二弹性体包括选自由聚氨酯、聚二甲硅氧烷、天然橡胶、丁二烯橡胶、丁苯橡胶、丁腈橡胶及乙烯-醋酸乙烯酯共聚物构成的组的某一种。
13.根据权利要求7所述的纤维型变形率传感器制造方法，其特征在于，所述导电性颗粒包括选自由碳纳米管、石墨烯、银纳米层及金纳米层构成的组的某一种。
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