本發(fā)明涉及具有芯殼結(jié)構(gòu)的復(fù)合纖維，具體涉及一種基于熱縮工藝的具備動靜態(tài)感知功能的復(fù)合纖維及快速制備方法。

背景技術(shù)：

1、隨著智能穿戴設(shè)備、柔性電子、醫(yī)療監(jiān)測和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，對高性能智能感知材料的需求日益迫切。智能纖維作為一種可直接集成于紡織品中的柔性傳感單元，因其輕量化、可編織性和環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，成為智能材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。傳統(tǒng)的智能感知纖維主要通過將傳感材料（如金屬絲、碳基材料或?qū)щ姼叻肿樱┣度肜w維基底中，賦予其電阻、電容或壓電響應(yīng)特性。然而，現(xiàn)有技術(shù)普遍存在材料體系單一、制備工藝復(fù)雜、動態(tài)響應(yīng)性能不足等問題，嚴(yán)重制約了其大規(guī)模應(yīng)用。

2、在材料體系方面，傳統(tǒng)感知纖維多采用金屬（如銅、銀或形狀記憶合金）作為核心導(dǎo)電層或傳感層。雖然金屬材料具備良好的導(dǎo)電性和力學(xué)強(qiáng)度，但其固有缺陷顯著：金屬芯纖維密度大、柔韌性差，在反復(fù)彎折或拉伸工況下易發(fā)生塑性形變甚至斷裂，導(dǎo)致傳感性能衰減；同時(shí)，金屬材料的化學(xué)穩(wěn)定性較差，在潮濕或腐蝕性環(huán)境中易氧化失效。此外，金屬纖維的剛性特征與人體皮膚或柔性基底的力學(xué)適配性較差，限制了其在可穿戴設(shè)備中的應(yīng)用。近年來，研究者嘗試采用非金屬材料（如碳纖維、導(dǎo)電高分子）替代金屬，但單一材料體系往往難以兼顧高靈敏度、寬量程感知和長期穩(wěn)定性需求。

3、在制備工藝層面，現(xiàn)有智能纖維制造技術(shù)多依賴復(fù)雜加工設(shè)備與多步成型工藝。例如，金屬芯感應(yīng)纖維的制造最常用的制備方式是融模具壓絲法，還有通過浸涂工藝制造金屬芯壓電纖維，用水熱擠壓法制造壓電纖維，通過同軸靜電紡絲法制作出了用于氣流速度傳感的壓電彎曲傳感器，電潤濕輔助干紡法生產(chǎn)金屬芯壓電纖維等等，不僅能耗高、生產(chǎn)周期長，還易因?qū)娱g界面結(jié)合不良導(dǎo)致性能波動。如專利cn109554814a提出的多層壓電纖維制備方法，需通過精密涂覆與高溫?zé)Y(jié)實(shí)現(xiàn)功能層堆疊，工藝容錯(cuò)率低且設(shè)備成本高昂。此外，傳統(tǒng)工藝對材料的熱穩(wěn)定性、流變特性要求嚴(yán)苛，限制了新型功能材料的應(yīng)用拓展。如何實(shí)現(xiàn)高性能復(fù)合纖維的快速、低成本制備，成為行業(yè)亟待突破的技術(shù)瓶頸。

4、在感知性能方面，現(xiàn)有智能纖維的動態(tài)與靜態(tài)感知能力普遍存在局限性。單一壓阻或壓電材料構(gòu)建的傳感纖維，往往僅能響應(yīng)動態(tài)力信號（如振動、沖擊），而對靜態(tài)力（如持續(xù)壓力、形變）的靈敏度不足，或存在信號漂移問題。例如，基于碳納米管的壓阻纖維在靜態(tài)壓力下易因蠕變效應(yīng)導(dǎo)致電阻基線漂移；而壓電纖維（如pvdf）雖對動態(tài)應(yīng)變敏感，卻無法捕獲靜態(tài)力信息。此外，傳統(tǒng)纖維的傳感信號易受環(huán)境溫濕度干擾，長期穩(wěn)定性難以滿足醫(yī)療監(jiān)測或工業(yè)檢測等高精度場景需求。因此，開發(fā)兼具動靜態(tài)感知、寬頻響應(yīng)和抗環(huán)境干擾的復(fù)合纖維結(jié)構(gòu)，是提升智能纖維實(shí)用性的關(guān)鍵。

5、針對上述問題，部分研究嘗試通過材料復(fù)合與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化感知性能。例如，專利cn112301500a提出在金屬絲表面包覆壓阻/壓電雙層結(jié)構(gòu)以拓寬傳感范圍，但金屬芯的剛性特征導(dǎo)致纖維柔韌性下降，且層間界面在反復(fù)形變后易剝離失效。另一項(xiàng)研究（advancedmaterials,?2021）采用中空纖維嵌入液態(tài)金屬的方案提升柔韌性，但復(fù)雜的封裝工藝與液態(tài)金屬泄露風(fēng)險(xiǎn)制約了其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。由此可見，現(xiàn)有技術(shù)尚未有效解決材料-結(jié)構(gòu)-工藝協(xié)同優(yōu)化問題，亟需一種能夠兼顧高性能、低成本與制造便捷性的新型解決方案。

6、綜上所述，智能感知纖維的進(jìn)一步發(fā)展面臨三大核心挑戰(zhàn)：其一，如何突破金屬芯材料的力學(xué)性能限制，通過非金屬材料創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度、輕量化與柔性化的統(tǒng)一；其二，如何簡化復(fù)合纖維的制備流程，開發(fā)無需復(fù)雜設(shè)備的高效成型技術(shù)；其三，如何通過多物理效應(yīng)耦合（如壓阻-壓電協(xié)同）實(shí)現(xiàn)動靜態(tài)力的精準(zhǔn)感知與信號穩(wěn)定性提升。這些技術(shù)瓶頸的突破，將直接推動智能纖維在可穿戴健康監(jiān)測、機(jī)器人觸覺感知、智能紡織等領(lǐng)域的規(guī)?；瘧?yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種基于熱縮工藝的具備動靜態(tài)感知功能的復(fù)合纖維及快速制備方法。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下技術(shù)方案：

3、一種基于熱縮工藝的具備動靜態(tài)感知功能的復(fù)合纖維，其具有芯殼結(jié)構(gòu)，從內(nèi)至外依次為金屬芯層、壓電層、第一導(dǎo)電層、壓阻層和絕緣保護(hù)層；所述壓電層為經(jīng)由熱縮包覆在金屬芯層外表面的壓電熱縮管，所述第一導(dǎo)電層為噴涂于壓電熱縮管表面的導(dǎo)電漆/膠，所述壓阻層為經(jīng)由熱縮包覆在第一導(dǎo)電層外側(cè)的壓阻熱縮管，所述絕緣保護(hù)層為經(jīng)由熱縮包覆在導(dǎo)電漆/膠外側(cè)的絕緣熱縮管。

4、一種基于熱縮工藝的具備動靜態(tài)感知功能的復(fù)合纖維，其具有芯殼結(jié)構(gòu)，從內(nèi)至外依次為纖維芯層、壓阻層、第二導(dǎo)電層、壓電層、第一導(dǎo)電層和絕緣保護(hù)層，所述壓阻層為經(jīng)由熱縮包覆在纖維芯層外側(cè)的壓阻熱縮管，所述第二導(dǎo)電層為噴涂于壓阻熱縮管表面的導(dǎo)電漆/膠，所述壓電層為經(jīng)由熱縮包覆在第二導(dǎo)電層外表面的壓電熱縮管，所述第一導(dǎo)電層為噴涂于壓電熱縮管表面的導(dǎo)電漆/膠，所述絕緣保護(hù)層為經(jīng)由熱縮包覆在導(dǎo)電漆/膠外側(cè)的絕緣熱縮管。

5、所述壓電熱縮管為pvdf管、奇數(shù)尼龍管或芳香族聚脲管中的任意一種。

6、所述絕緣熱縮管為epdm熱縮管、交聯(lián)peek熱縮管、聚四氟乙烯ptfe熱縮管、硅橡膠熱縮管中的任意一種。

7、所述壓阻熱縮管為聚苯胺導(dǎo)電聚合物管、聚吡咯導(dǎo)電聚合物管、交聯(lián)pa66管、金屬基復(fù)合管中的任意一種。

8、所述金屬芯層為由金屬組成的實(shí)心芯或中空芯。

9、所述纖維芯層為由非金屬組成的實(shí)心芯或中空芯。

10、一種用于制備所述的基于熱縮工藝的具備動靜態(tài)感知功能的復(fù)合纖維的快速制備方法，其包括以下步驟：

11、步驟一、金屬芯層外套設(shè)壓電熱縮管，根據(jù)壓電熱縮管的收縮比，選擇與所述金屬芯層相適配的壓電熱縮管；

12、步驟二、將壓電熱縮管套設(shè)于金屬芯層外側(cè)，并通過設(shè)定熱風(fēng)槍溫度150℃-175℃，在距離壓電熱縮管5-10厘米范圍，以10-15厘米/秒橫掃速率，將壓電熱縮管熱縮在金屬芯層外表面，且兩者之間無縫緊密貼合，得到壓電纖維；

13、步驟三、將步驟二中制作好后的壓電纖維放入加熱爐中進(jìn)行加熱工序，設(shè)定加熱爐的溫升速率加熱爐每分鐘1℃-5℃，保證壓電熱縮管在整個(gè)橫截面上實(shí)現(xiàn)均勻一致的熱收縮行為；

14、步驟四、待步驟三中的壓電熱縮管自然冷卻至室溫后，在其表面均勻涂覆一層導(dǎo)電薄膜，作為第一導(dǎo)電層；

15、步驟五、鑒于壓阻熱縮管的收縮比，選擇與所述熱縮后的壓電熱縮管相適配的壓阻熱縮管；

16、步驟六、將壓阻熱縮管套設(shè)于第一導(dǎo)電層外側(cè)，并通過設(shè)定熱風(fēng)槍溫度80℃-150℃，在距離壓阻熱縮管5-10厘米范圍，以10-15厘米/秒橫掃速率，將壓阻熱縮管熱縮在熱縮管外表面，且兩者之間無縫緊密貼合，得到壓電-壓阻熱縮管；

17、步驟七、將步驟六中制作好后的壓電-壓阻熱縮管放入加熱爐中進(jìn)行加熱工序，設(shè)定加熱爐的溫升速率，保證壓阻熱縮管在整個(gè)橫截面上實(shí)現(xiàn)均勻一致的熱收縮行為；

18、步驟八、待步驟七中的壓阻熱縮管自然冷卻至室溫后，在壓阻熱縮管外套設(shè)絕緣熱縮管，鑒于絕緣熱縮管的收縮比，選擇與所述熱縮后的壓阻熱縮管相適配的絕緣熱縮管；

19、步驟九、將絕緣熱縮管套設(shè)于壓阻熱縮管外側(cè)，并通過設(shè)定熱風(fēng)槍溫度135℃-150℃，在距離絕緣熱縮管5-10厘米范圍，以10-15厘米/秒橫掃速率，將絕緣熱縮管熱縮在壓阻層外表面，且兩者之間無縫緊密貼合，得到金屬芯壓電-壓阻復(fù)合纖維；

20、步驟十、將步驟九中制作好后的金屬芯壓電-壓阻復(fù)合纖維放入加熱爐中進(jìn)行加熱工序，設(shè)定加熱爐的溫升速率加熱爐每分鐘1℃-3℃，保證金屬芯壓電-壓阻復(fù)合纖維在整個(gè)橫截面上實(shí)現(xiàn)均勻一致的熱收縮行為；

21、步驟十一、待步驟十中的金屬芯壓電-壓阻復(fù)合纖維自然冷卻至室溫后取出，制造完畢。

22、一種用于制備所述的基于熱縮工藝的具備動靜態(tài)感知功能的復(fù)合纖維的快速制備方法，其特征在于：其包括以下步驟：

23、步驟一、纖維芯層外套設(shè)壓阻熱縮管，根據(jù)壓阻熱縮管的收縮比，選擇與所述纖維芯層相適配的壓組熱縮管；

24、步驟二、將壓阻熱縮管套設(shè)于纖維芯層外側(cè)，并通過設(shè)定熱風(fēng)槍溫度80℃-150℃，在距離壓阻熱縮管5-10厘米范圍，以10-15厘米/秒橫掃速率，將壓阻熱縮管熱縮在纖維芯層外表面，且兩者之間無縫緊密貼合；

25、步驟三、將步驟二中制作好后的壓阻熱縮管放入加熱爐中進(jìn)行二次加熱工序，設(shè)定加熱爐的溫升速率，保證壓阻熱縮管在整個(gè)橫截面上實(shí)現(xiàn)均勻一致的熱收縮行為；

26、步驟四、待步驟三中的壓阻熱縮管自然冷卻至室溫后，在壓阻熱縮管表面均勻涂覆一層導(dǎo)電薄膜，作為第二導(dǎo)電層；

27、步驟五、在完成步驟四后的壓阻熱縮管外套設(shè)壓電熱縮管，根據(jù)壓電熱縮管的收縮比，選擇與所述壓阻熱縮管相適配的壓電熱縮管；

28、步驟六、將壓電熱縮管套設(shè)于第二導(dǎo)電層外側(cè)，并通過設(shè)定熱風(fēng)槍溫度150℃-175℃，在距離壓電熱縮管5-10厘米范圍，以10-15厘米/秒橫掃速率，將壓電熱縮管熱縮在第二導(dǎo)電層外表面，且兩者之間無縫緊密貼合，得到壓阻-壓電熱縮管；

29、步驟七、將步驟六中制作好后的壓阻-壓電熱縮管放入加熱爐中進(jìn)行加熱工序，設(shè)定加熱爐的溫升速率加熱爐每分鐘1℃-5℃，保證壓阻-壓電熱縮管在整個(gè)橫截面上實(shí)現(xiàn)均勻一致的熱收縮行為；

30、步驟八、待步驟七中的壓阻-壓電熱縮管自然冷卻至室溫后，在其表面均勻涂覆一層導(dǎo)電薄膜，作為第一導(dǎo)電層；

31、步驟九、在完成步驟八后的壓阻-壓電熱縮管外套設(shè)絕緣熱縮管，根據(jù)絕緣熱縮管的收縮比，選擇與所述壓阻-壓電熱縮管相適配的絕緣熱縮管；

32、步驟十、將絕緣熱縮管套設(shè)于壓阻-壓電熱縮管外側(cè)，并通過設(shè)定熱風(fēng)槍溫度135℃-150℃，在距離絕緣熱縮管5-10厘米范圍，以10-15厘米/秒橫掃速率，將絕緣熱縮管熱縮在第一導(dǎo)電層外表面，且兩者之間無縫緊密貼合，得到非金屬芯壓阻-壓電復(fù)合纖維；

33、步驟十一、將步驟十中制作好后的非金屬芯壓阻-壓電復(fù)合纖維放入加熱爐中進(jìn)行加熱工序，設(shè)定加熱爐的溫升速率加熱爐每分鐘1℃-3℃，保證非金屬芯壓阻-壓電復(fù)合纖維在整個(gè)橫截面上實(shí)現(xiàn)均勻一致的熱收縮行為；

34、步驟十二、待步驟十一中的非金屬芯壓阻-壓電復(fù)合纖維自然冷卻至室溫后取出，制造完畢。

35、本發(fā)明的有益效果：

36、復(fù)合同軸多層功能化結(jié)構(gòu)，將動態(tài)（壓電效應(yīng)）與靜態(tài)（壓阻效應(yīng)）感知功能集成于單根纖維中，突破了傳統(tǒng)單一材料或單一物理效應(yīng)纖維的感知局限性，實(shí)現(xiàn)了寬頻（動靜態(tài)）力與運(yùn)動信號的同步檢測。

37、優(yōu)化了信號穩(wěn)定性，導(dǎo)電層與壓阻/壓電層的協(xié)同設(shè)計(jì)增強(qiáng)了電信號傳輸效率，減少環(huán)境干擾，同時(shí)絕緣保護(hù)層提升了纖維的耐久性與抗環(huán)境侵蝕能力。

38、免復(fù)雜設(shè)備的層間結(jié)合技術(shù)，采用熱縮性功能管材（壓阻、壓電、絕緣管）直接套覆于芯層基底，通過熱縮工藝實(shí)現(xiàn)各功能層的緊密貼合，避免了傳統(tǒng)多層熔融共擠、化學(xué)沉積或真空鍍膜等復(fù)雜工藝，大幅降低設(shè)備依賴性與制造成本。通過噴涂工藝快速構(gòu)建導(dǎo)電通路，簡化工藝步驟，提升生產(chǎn)效率，適用于規(guī)?；a(chǎn)。

39、壓阻-壓電雙模傳感機(jī)制，壓阻層（如聚苯胺、聚吡咯等導(dǎo)電聚合物管、交聯(lián)pa66管、金屬基復(fù)合管）通過電阻變化感知靜態(tài)壓力與形變，壓電層（如pvdf管、奇數(shù)尼龍管或芳香族聚脲管）通過電荷輸出捕捉動態(tài)振動與瞬時(shí)沖擊，雙模協(xié)同顯著拓寬了感知范圍與靈敏度。

40、以凱夫拉、peek、pa66等高性能非金屬材料替代傳統(tǒng)金屬（如銅、銀）作為纖維芯層，顯著提高了纖維的抗拉強(qiáng)度、柔韌性、耐磨性及抗疲勞特性，同時(shí)降低纖維重量，解決了金屬芯纖維密度大、易氧化斷裂、與柔性基底適配性差等問題。支持實(shí)心或中空芯層設(shè)計(jì)，中空結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步減輕重量或集成其他功能材料（如流體傳感介質(zhì)），擴(kuò)展應(yīng)用場景。