一种由液态金属感知纤维制成的纤维测速器及其在智能弹力带中的应用的制作方法

本技术涉及功能导电材料领域，具体涉及超弹性液态金属感知纤维、由其制成的纤维测速器和智能弹力带。

背景技术：

1、准确管理和控制力量训练负荷是维护和改善肌肉和骨组织健康的重要非药物医学手段。基于速度的训练手段已经成为一种监测力量训练负荷和疲劳的新方法。目前常用的便携式商用测速仪主要用于杠铃、哑铃等恒定阻力器械的训练中，在使用中以一种附加设备的形式对训练器械进行测速。弹力带作为一种可变阻力训练器械，能根据关节运动自由地改变运动过程中的负荷，同时还能与恒定阻力器械结合使用产生更大的训练刺激，在运动员的体能训练与运动康复中应用广泛。但由于多平面、多方向拉伸的特点，弹力带与当前速度测量设备存在兼容性较差的问题。

2、可伸缩应力传感器的发展为设计基于弹力带的速度测量设备带来了独特的机遇。这些传感器件将导电功能材料与弹性载体结合，能够感应外界拉伸形变并产生相应的电学信号，在人体行为分析、运动状态检测等运动表现监测领域有重要应用。相较于片状薄膜与块状水凝胶等形态的可伸缩应力传感器，纤维基可伸缩应力传感器在具有高的长径比，其一维结构能够使其任意柔性弯曲，同时在极端情况下能同时承受拉伸、双曲率弯曲及平面内剪切应力，因而能够更好地适应像手臂伸缩、腿部弯曲、上下肢协调动作等各种大型变运动场景，研究纤维基可伸缩应力传感器对体育训练中的运动状态监控具有重要应用前景与研究意义。

3、液态金属在室温下以液相形式存在，由于其优异的可拉伸和自愈合能力，被广泛用作可变性器件的导体。相较于其他液态金属，镓及其镓基合金具有低粘度、高电导(3.4×104scm-1)、低蒸气压及无毒特性，更适用于可伸缩电子、软体机器人传感器及电子皮肤领域的应用。大多数液体金属会成珠状以最大限度地减少表面能，但金属表面氧化物的存在使得将它们在各种基底上图案化成特殊形状成为可能。

4、基于液态金属材料的导电纤维制备工艺有多种，如静电纺丝、熔融纺丝、表层涂覆等。公开(公布)号cn111041820a中国专利公布了一种高导电稳定性超弹性纱线的制备方法，通过静电纺丝技术制造tpe纱线，纱线表面涂覆液态金属得到弹性导电纱线。其制备方法简单高效、成本低廉，但丝径较粗(mm级)及电导率(2.46×105s/m)低，使其织物形态可穿戴性较差与应用受限。公开(公布)号cn109402818a中国专利采用涂覆法制备了内核纤维、中间粘胶和外层金属的导电微米纤维。这种涂覆工艺简单，显著降低导电纤维维度，可实现微米尺度的导电纤维，但功能材料表面涂覆纤维电阻高，多次拉伸后表面出现微裂纹，暴露于纤维表面直接与环境接触在织物基智能可穿戴领域稳定性较差。目前批量制备出高弹性高拉伸性、高电导、高稳定性的微米级纤维测速器至关重要。(研究人员证明，当循环拉伸和释放超过100,000次循环时，纺织品应变传感器可以可靠地工作)这可以进一步与商用弹力带等力量训练设备相结合，基于液态金属的导体电特性与纤维内液态金属体积不变性的前提，高弹性液态金属纤维可通过拉伸状态下纤维电阻的变化率分析其拉伸动作速度，作为纤维测速器可用于智能弹力带，实际速度测量结果与商用高速摄像机的测量结果具有较好一致性。此外，用于智能弹力带的纤维测速器可以根据人体肱二头肌和肱三头肌训练中的速度损失率的变化预测其疲劳趋势，其结果与商用肌电图设备相吻合。未来，具有速度测量功能的智能弹力带将在日常健身、人体运动康复、专项爆发训练等领域得到更广泛的应用。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上不足，本技术提供一种用于智能弹力带的纤维测速器及其制备方法。解决了一维纤维测速器维度控制难、长度不足及稳定性差，适应场景局限等问题，以满足运动中速度监测与疲劳预测的需求。

2、本技术为解决上述技术问题所采用的技术方案为:

3、1.一种液态金属感知纤维，其包括:

4、液态金属芯层；

5、包覆所述液态金属芯层的弹性载体层；

6、优选地，在所述液态金属感知纤维截面上，所述液态金属芯层构成的圆与所述弹性载体层构成的圆的直径之比(d1:d2)为1:3～1:6。

7、2.如项1所述的液态金属感知纤维，其还包括:

8、位于所述弹性载体层外部的约束层；

9、优选地，在所述液态金属感知纤维截面上，所述约束层的厚度与所述弹性载体层的厚度之比(d4:d3)为1:2.8～1:8.5。

10、3.如项1或2所述的液态金属感知纤维，其中，所述液态金属芯层由在常温下为液态的导电金属构成，其优选选自下组中的一项或多项:镓、镓铟合金、镓铟锡合金；最优选为镓铟锡合金。

11、4.如项1或2所述的液态金属感知纤维，其中，所述弹性载体层由热塑性弹性体构成，其优选选自下组中的一项或多项:丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(abs)、苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯嵌段共聚物(sebs)、热塑性聚氨酯(tpu)、热塑性聚酯弹性体(tppe)、热塑性有机硅弹性体(geniomer)、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(sbs)、苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物(sis)；最优选为苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯嵌段共聚物(sebs)。

12、5.如项1或2所述的液态金属感知纤维，其中，所述约束层由热塑性树脂构成，其优选选自下组中的一项或多项:聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、聚碳酸脂(pc)、掺杂有氟化聚合物的pmma复合材料(f-pmma)、聚砜(psu)、聚醚酰亚胺(pei)、聚苯醚砜(pes)、丙二醇甲醚醋酸酯(pma)、聚酰胺(psa)、聚亚苯基砜树脂(ppsu)、苯乙烯二甲基丙烯酸甲酯共聚物(smma)、环烯烃共聚物(coc)、聚苯乙烯(ps)、聚对苯二甲酸乙二酯(pet)；最优选为聚碳酸酯(pc)。

13、6.如项1或2所述的液态金属感知纤维，其中，所述液态金属芯层、所述弹性载体层和所述约束层同轴布置，所述液态金属芯层的直径(d1)为30微米至600微米，所述弹性载体层的厚度(d3)为35微米至850微米，所述约束层的厚度(d4)为5微米至250微米。

14、7.制备如项1所述的液态金属感知纤维的方法，其包括下述步骤：

15、-制备出用于形成所述弹性载体层的中空预制棒，所述中空预制棒的中空部分用于灌注所述液态金属芯层；

16、-热压出用于形成所述约束层的厚度均一的圆柱棒，所述圆柱棒热固为中空结构；

17、-将所述圆柱棒与所述中空预制棒组合嵌套得到双层同轴预制棒；

18、-将液态金属材料灌注入所述双层同轴预制棒，采用热拉伸工艺制备得到具有三层结构的液态金属感知纤维。

19、8.如项7所述的方法，其进一步包括下述步骤：

20、将所述三层液态金属感知纤维进行溶剂刻蚀处理，移除所述约束层，以得到二层液态金属感知纤维。

21、9.如项7或8所述的方法，其中，制备出中空预制棒的步骤是通过采用模具热压法制备中空的半圆柱体，然后对两个中空半圆柱体进行热固处理来实现。

22、10.如项7或8所述的方法，其中，热压出所述圆柱棒的步骤是通过薄膜卷绕法卷绕在圆柱体模具棒上，经过热固处理得到中空硬质的圆柱棒来实现。

23、11.如项7或8所述的方法，其中，将液态金属材料灌注入所述双层同轴预制棒的步骤通过如下实现：使用注射器将液态金属灌注于所述双层同轴预制棒，注射口用电焊笔熔融固封。

24、12.如项8所述的方法，其中，将所述液态金属感知纤维进行溶剂刻蚀处理通过如下实现：使用超声波分散使外包层均匀溶解于刻蚀剂中，然后，对经过初步刻蚀的液态金属感知纤维进行纤维表面处理，移除残余的约束层。

25、13.如项1至6的任一项所述液态金属感知纤维或项7～13的任一项所述方法制备的液态金属感知纤维用于纤维测速器的用途，所述纤维测速器包括液态金属感知纤维和电阻测试构件，所述电阻测试构件检测由所述液态金属感知纤维发生形变所产生的电信号变化。

26、14.如项13所述的用途，其中，所述电阻测试构件通过测量电阻随时间的变化率实现对所述液态金属感知纤维发生形变的运动速度的测量。

27、15.一种纤维测速器，其包括：

28、根据项1至6的任一项所述液态金属感知纤维或项7～13的任一项所述方法制备的液态金属感知纤维；以及

29、检测模块；

30、检测模块包括与所述液态金属感知纤维两端连接的电阻测试构件，所述电阻测试构件测量所述液态金属感知纤维的电阻随时间的变化。

31、16.如项15所述的纤维测速器的用作智能弹力带的用途，所述智能弹力带可实现对受试者运动瞬时速度的监测。

32、17.如项16所述的用途，所述智能弹力带通过对速度损失率的实时计算，实现对受试者运动的疲劳程度的监测。

33、18.一种智能弹力带，其由根据项15所述的纤维测速器经过编织得到。

34、本技术的技术方案取得的有益技术效果：

35、通过实施本技术的技术方案，本技术所述的液态金属感知纤维具有芯包结构，包层选用高弹性的聚合物材料，芯层选用流动态的液态金属材料，使得纤维在拉伸至300％形变量，仍具有良好的电学特性及可回复性能，该纤维可经历十万次以上循环拉伸测试。本技术所述的液态金属感知纤维，通过热拉制工艺可实现一次成型、丝径可控。基于一维导电纤维模型与液态金属在拉伸过程中的体积不变性，由液态金属纤维构成的纤维测速器能对外界拉伸速度进行精准测量；纤维测速器可无缝封装于商用中空弹力带中组成智能弹力带，实现传感与训练设备一体化；智能弹力带可基于速度损失模型对人体肌肉训练疲劳进行预测。根据本技术所述的纤维测速器，通过纺纱编织工艺制备柔软、高弹的传感绳及织物，可满足智能设备的织物化可穿戴需求。