Показана возможность получения электропроводящих композитов нанесением суспензий углерода на волокнистые материалы напылением аэрозоля и методом трафаретной печати, на полиграфическом оборудовании, что обеспечивает высокую производительность. Разработана технология изготовления и исследованы электромеханические свойства слоистых волокнистых композитов на основе трикотажа и дисперсии графита, предназначенных для изготовления датчиков деформации и напряжения, применяемых в «носимой электронике», в робототехнике и медицине. В экспериментальном исследовании показано, что проводящий путь, то есть длина цепочек контактирующих частиц наполнителя уменьшается при деформации растяжения вследствие роста микротрещин в материале. Электросопротивление растущих микротрещин имеет гораздо более высокие значения, чем сопротивление деформируемого пьезорезистивного материала. Трещины могут раскрываться и закрываться различным образом при деформации изгиба, кручения, растяжения и сжатия . Электропроводность волокон и нитей существенно зависит от локализации электропроводящих частиц на их поверхности или в объеме. Расположение электропроводящих цепочек на поверхности или в объеме нитей определяет зависимость электрических свойств композитов от состояния окружающей среды (состав, температура, влажность). Предварительные исследования нитей с электропроводящими компонентами различной химической природы (металлы, соли металлов, углерод в различных аллотропных формах), показывают, что изменение температуры и влажности существенно влияют на удельное сопротивление проводящего волокна. В работе представлены данные по влиянию температуры и влажности на электромеханические свойства эластичных волокнистых композитов с графитом. При растяжении до 15 % калибровочный коэффициент GF снижается в 2 раза при 100% влажности. Установлено различное влияние температуры воздуха в диапазоне 100С÷700С на деформационную и тензочувствительность при циклическом деформировании до 15% и 30%. Наличие двух диапазонов деформационной чувствительности обусловлено различием механизмов удлинения трикотажа за счет распрямления и растяжения нитей. Установлена различная деформационная и тензочувствительность композитов в диапазонах малых и значительных растяжений, при различной температуре и влажности воздуха. Деформационная чувствительность достигает 130, а тензочувствительность 12МПа -1, что на порядок превышает чувствительность к напряжению известных полимерных композитов с различным электропроводящими наполнителями.

1. Ryu H., Lee J.H., Khan U., Kwak S.S. et al. Sustainable direct current powering a triboelectric nanogenerator via a novel asymmetrical design // Energy Environ. Sci. 2018. V. 11. P. 2057–2063.

2. Monti M., Natali M., Petrucci R., Kenny J.M. et al. Impact damage sensing in glass fiber reinforced composites based on carbon nanotubes by electrical resistance measurements // J. ApplPolymSci. 2011. V. 122. № 4. P. 2829–36.

3. Zhang H., Tao X.M., Yu T.X. Effects of Temperature, Relative Humidity and Washing Times on the Electrical Conductivity of Carbon-Coated Filaments // Sensors and Actuators A. 2005. V. 126. P. 803–807.

4. Zieba J., Frydrysiak M. Textronics System for Breathing Measurement // Fibres& Textiles. 2006. V. 14. P.43–48.

5. Wilson S.A., Jourdain R.P.J., Zhang Q., Dorey R.A. et al. New materials for micro-scale sensors and actuators: an engineering review // Mater SciEng R Rep. 2007. V. 56. № 1–6. P. 1–129.

6. Huang Y., Tan G., Gou F., Li M. et al. Prospects and challenges of mini-LED and micro-LED displays. // J. Soc. Inf. Disp. 2019. V. 27. P. 387–401. doi:10.1002/jsid.760

7. Hu N., Karube Y., Yan C. Tunneling effect in a polymer/carbon nanotube nanocomposite strain sensor // Acta Materialia. 2008. V. 56. № 13. P. 2929–2936. doi:10.1016/j.actamat.2008.02.030

8. Chen Y., Pan F., Wang S., Liu B. et al. Theoretical estimation on the percolation threshold for polymer matrix composites with hybrid fillers. 2015. V. 124. P. 292–299. doi:10.1016/j.compstruct.2015.01.013

9. Mazaheri M., Payandehpeyman J., Jamasb S. Modeling of Effective Electrical Conductivity and Percolation Behavior in Conductive-Polymer Nanocomposites Reinforced with Spherical Carbon Black. // Appl Compos Mater. 2022. V. 29. P. 695–710. doi: 10.1007/s10443–021–09991

10. Knite M., Teteris V., Kiploka A., Kaupuzs J. Polyisoprene-carbon black nanocomposites as tensile strain and pressure sensor materials // Sensor Actuat A. 2004. V. 110. № 1–3. P. 142.

11. Kawabe H., Natsume Y., Higo Y. et al. Nondestructive evaluation of crazes and microcracks on polymers by the elastic-wave transfer function method // Journal of materials science. 1993. V. 28. P. 3197–3204. doi: 10.1007/BF00354236

12. Zou F.Y., Xu Y.H., Chen H., Ye L. Study on the Sensing Property of Carbon-Coated Filaments // Advanced Materials Research. 2011. V. 287. P. 2911-2915. doi: 10.4028/www.scientific.net/AMR.287–290.2911

13. Yoshida A., Wang Y.F., Sekine T., Takeda Y. et al. Printed Low-Hysteresis Stretchable Strain Sensor Based on a Self-Segregating Conductive Composite // ACS Appl. Eng. Mater. 2022. V 1. № 1. P. 50–58. doi:10.1021/acsaenm.2c00010

14. Larimi S.R., Nejadb H.R., Oyatsi M., O’Briena A. et al. Low-cost ultra-stretchable strain sensors for monitoring human motion and bio-signals // Sensors and Actuators A: Physical. 2018. V. 271. P. 182–191. doi:10.1016/j.sna.2018.01.028

15. Tang J., Wu Y., Ma S., Yan T. et al. Sensing mechanism of a flexible strain sensor developed directly using electrospun composite nanofiber yarn with ternary carbon-based nanomaterials // Journal Pre-proof. 2022. V. 22. S2589–0042. doi: 10.1016/j.isci.2022.105162

16. Bose A., Zhang X., Maddipatla D. ScreenPrinted Strain Gauge for Micro-Strain Detection Applications // IEEE Sensors Journal. 2020. V. 20. № 21. P. 12652–12660. doi: 10.1109/JSEN.2020.3002388

17. Leseman Z.C. Design of a Microscale Optomechanical Load Cell for Micro-/Nanostructured Materials Testing Applications // Arabian Journal for Science and Engineering. 2022. V. 47. №. 1. P. 1053-1067. doi: 10.1007/s13369–021–06019–2

18. Mattmann C., Clemens F., Tröster G. Sensor for measuring strain in textile // Sensors. 2008. V. 8. №. 6. P. 3719-3732.

19. Hu Y. et al. A low-cost, printable, and stretchable strain sensor based on highly conductive elastic composites with tunable sensitivity for human motion monitoring // Nano Research. 2018. V. 11. P. 1938-1955.

20. Xiao X., Yuan L., Zhong J., Ding T. et al. High‐strain sensors based on ZnO nanowire/polystyrene hybridized flexible films // Advanced materials. 2011. V. 23. №. 45. P. 5440-5444. doi: 10.1002/adma.201103406

21. Boyko E.V., Kostogrud I.A., Smovzh D.V. The dependence of the graphene electrical resistance on mechanical deformation // Journal of Physics: Conference Series. IOP Publishing, 2020. V. 1677. №. 1. P. 012125. doi: 10.1088/1742–6596/1677/1/012125

22. Butera R.A., Waldeck D.H. The dependence of resistance on temperature for metals, semiconductors, and superconductors // Journal of chemical education. 1997. V. 74. №. 9. P. 1090. doi: 10.1021/ed074p1090

23. Király A., Ronkay F. Temperature dependence of electrical properties in conductive polymer composites // Polymer testing. 2015. V. 43. P. 154-162. doi: 10.1016/j.polymertesting.2015.03.011