碳纤维纱线及其织物结构电阻的响应
李选1，杨斌2*
作者简介：李选（1986-），男，硕士研究生，主要研究方向：智能纺织品的研究与开发. E-mail:
lixuanm@126.com
（1. 浙江理工大学先进纺织材料与制备技术教育部重点实验室，杭州 310018；
2. 浙江理工大学材料与纺织学院，杭州 310018）
摘要：本文主要研究碳纤维纱线及其织物结构电阻的响应，通过实验发现碳纤维纱线的电阻
随着温度的增加而线性减小，碳纤维织物的电阻也随着温度的增加而减小，且在一定的温度
范围内呈线性关系，并得出织物的结构对于增加碳纤维的灵敏度有一定的作用。织物电阻随
温度变化的机理主要是在温度变化的过程中纱线的接触电阻变化引起。
关键词：碳纤维；织物；接触电阻；温度
 0 引言
纺织复合材料(Textile Composites)的概念从应用上来讲，是由机织、针织、编织、缝纫
等纺织技术制造增强材料预成形体，再经树脂传递模塑(RTM)等复合材料液体成形工艺制造
的一类复合材料, 可以应用于宇航、造船、车辆、体育、军械等领域[1]。然而在材料成型过
程中，常常会遇到高温和大应变，这就需要一种传感器可以在高温下进行大应变的测量来阻
止一些重大的损伤。
碳纤维具有高强度、高模量、耐高温、导电等性能，将其设计成一种针织结构后，形成
了碳纤维纺织结构传感器，对织物电阻和应变的关系进行研究后[2]，得出碳纤维纺织结构可
以用来做应变传感器，而本文主要对碳纤维纱线及其织物的电阻和温度的关系进行研究。
1 实验
1.1 试样的制备
试样采用碳纤维纱线（日本东丽公司生产，型号为T300/1K 其规格如表1 所示）及其
制备的单经编织物。纱线试样：烘箱内测量的纱线总长为100cm。织物的试样22cm，处于
 烘箱内外的连接纱线均为50cm。
表1 碳纤维性质
Tab.1 Carbon fiber properties
指标 数值
线密度（g/cm） 65Tex
捻度 无
抗拉强度 3.5
弹性模量 230
每束丝所含单根数目（根） 1000
1.2 测量方法
图1 为实验装置示意图。Agilent 34401A 数字万用表测量电阻，美国CSZ 公司ZP 系列
温湿度控制箱测量温度，两者同时进行测量，可得出试样的电阻与温度的关系。
图1 实验装置示意图
Fig.1 Schematic diagram of the experimental setup
2 结果与讨论
2.1 碳纤维纱线电阻和温度的关系
图2 为碳纤维纱线电阻随温度变化的曲线图，实验结果表明碳纤维纱线随温度的升高而
线性减小，随温度的降低而线性增加，原因在于碳纤维的传导性能，它属于半导体，其电阻
率与纤维内π电子浓度、微晶大小及其取向度有关。一般来说，随着温度的升高，碳纤维的
石墨微晶越大，结构越完整，沿纤维轴的取向度越高，同时禁带变窄，导带变宽，π电子数
目增加，因而电阻率降低，导电性提高。由曲线的拟合可知，测量的电阻变化灵敏度：升温
为-0.18573ohm/℃,降温为-0.19240ohm/℃。图3 为碳纤维纱线相对电阻随温度变化的曲线图，
由曲线的拟合结果可知，测量的相对电阻变化的灵敏度：升温为-0.04155%/℃，降温为
-0.04305%/℃。
 -60 -40 -20 0 20 40 60
440
445
450
455
460 -52oC-52oC
52oC- -52oC
Linear Fit of data
Lineat Fit of data
Resistance(ohm)
Temperature(oC)
y=450.94953-0.18573x
R=-0.99941
y=449.19137-0.19246x
R=-0.9972
-60 -40 -20 0 20 40 60
440
445
450
455
460
图2 碳纤维纱线电阻随温度的变化
Fig.2 The resistance change of carbon fiber with temperature
-60 -40 -20 0 20 40 60
-2
-1
0
1
2
3
Ralative resistance(%)
Temperature(oC)
-52oC-52oC
52oC- -52oC
Linear Fit of data
Linear Fit of data
y=0.87397-0.04155x
R=-0.9994
y=0.48069-0.04305x
R=-0.9972
0 2 4 6 8 10
-2
-1
0
1
2
3
图3 碳纤维纱相对电阻随温度变化
Fig.3 The relative resistance of carbon fiber with temperature
2.2 碳纤维织物电阻的响应
图5、6 分别是碳纤维织物电阻和相对电阻对温度响应的关系曲线。实验结果表明织物
的电阻随温度的增加而减小，随温度的降低而增加，且在一定的范围内，电阻与温度存在线
性关系。在0℃之前，织物电阻变化斜率与后来的变化斜率不同，这是由于织物的使用需要
一个训练的过程[3]。升温曲线和降温两条曲线并不重合，这是由于温度变化织物的滞后性引
起的。我们从图中可以看出，在170℃到100℃降温曲线之间，织物电阻随温度减少变化不
大，这是由于烘箱内用于放置试样的载体引起的，试样的载体本身存在着一定温度，当温度
 降低时，降低的温度与载体本身的温度相互抵消了一部分，这就导致电阻随温度的变化不大。
碳纤维织物电阻变化的灵敏度为：升温-0.43784ohm/℃，降温-0.79093/℃，相对电阻变化的
灵敏度为：升温-0.1206%/℃，降温-0.2050%/℃。对比碳纤维纱线的灵敏度，我们可以得出
碳纤维织物的灵敏度较大，也是就是说织物的结构对于增加碳纤维的灵敏度有一定的作用。
-50 0 50 100 150 200
280
290
300
310
320
330
340
350
360
370
Resistance(ohm)
Temperature(oC)
-50oC-180oC
180oC- -50oC
y=364.641-0.43784x
y=357.018-0.79093x
-50 0 50 100 150 200
280
290
300
310
320
330
340
350
360
370
图5 碳纤维织物电阻随温度的变化
Fig.5 The resistance of carbon fibers fabric with temperature
图 6 碳纤维织物相对电阻随温度的变化
Fig.6 The relative resistance of carbon fibers fibric with temperature
碳纤维织物随温度的增加而减小，主要是跟碳纤维热膨胀引起的尺寸变化和纱线间及线
圈间接触状态有关。碳纤维的热膨胀系数分别为：8.85×10-6/℃(Radial)，-0.7×10-6/℃
(Axial)[4]，从数据可以看出碳纤维在径向上是膨胀的，在轴向上是收缩的，并且径向热膨胀
 系数的绝对值大于轴向上的热膨胀系数，由此可以得出碳纤维主要是径向上的膨胀，可以忽
略轴向上的膨胀。对于碳纤维织物中的纱线来讲，纱线的电阻计算公式为:
S
R = ρ L ,其中ρ 是
纱线的电阻率， L 是纱线的长度， S 是纱线的面积，由于温度的升高，电阻率降低，长度
的减小值小于面积的增大值，因此纱线的电阻的变化不是很大，也就是说热膨胀引起的尺寸
变化对于织物本身来说影响不大。影响碳纤维织物中接触电阻的因素可以用公式
nP
R H c
ρ π
2
= [5,6]，其中ρ 为材料的电阻率，n 为接触点的数目，P 为接触压力，H 为
接触材料的硬度。随着温度的升高，由于碳纤维的热膨胀性导致纱线在径向上膨胀，纱线间
接触点的数目增加，接触压力增加，硬度减小，相对来说电阻率的影响很小，因此得出接触
电阻随温度的增加而减小，由此可以得出织物的传感机理主要是由于温度的变化导致纱线间
接触电阻的变化引起的。
3 结论
(1)碳纤维纱线是具有负温度系数的物质，随温度的升高而线性减小，随温度的降低而
线性增加。
(2)碳纤维织物随着温度的升高而线性减小，随温度的增加而线性增大，对比碳纤维纱
线的灵敏度，我们可以得出碳纤维织物的灵敏度较大。
(3)碳纤维织物的传感机理主要是由于温度的变化导致接触电阻的变化引起的。
[参考文献] (References)
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[6] Liu Xianshu. The Study and Application on Electric Contact Material[M]. Beijing: National Defence Industry