CN114413744B - 基于拉胀结构的3d打印复合材料柔性应变传感器及其制备方法 - Google Patents

基于拉胀结构的3d打印复合材料柔性应变传感器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种基于拉胀结构的3D打印复合材料柔性应变传感器及其制备方法，柔性应变传感器结构包括嵌入于弹性薄膜一侧的传感元件，弹性薄膜的另一侧打印有拉胀结构支架；制备方法现根据应用场景设计传感器各结构尺寸参数，再分别制备各结构所用的复合材料，通过多材料3D打印设备一体化打印成型得到传感器结构，最终高温固化得到柔性应变传感器；本发明使用复合材料增强的拉胀结构支架使柔性应变传感器在纵向拉伸时横向能够产生更强的膨胀效果，从而提升传感器应变灵敏度与可靠性；且通过使用3D打印工艺实现多材料的一体成型，大大简化制造工艺降低制造成本。

Description

基于拉胀结构的3D打印复合材料柔性应变传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及柔性应变传感器技术领域，特别涉及一种基于拉胀结构的3D打印复合材料柔性应变传感器及其制备方法。
背景技术
柔性应变传感器在可穿戴传感设备、软体机器人、大变形结构形状监测等领域具有广阔的应用前景。传统的传感器材料如金属、半导体等材料，由于其本身的脆性以及低应变范围使其难以应用于柔性应变传感器的制造；而以弹性聚合物为基底的压阻传感复合材料能够克服原有传感器材料的缺点，其在拉伸应变过程中，内部的纳米填料形成的导电网络断裂重组，进而宏观上产生电阻的增大。然而复合材料柔性应变传感器依然面临两个问题。
其一是制造工艺问题，传统机械加工难以应用于弹性聚合物材料，MEMS工艺则又使制造成本变得昂贵，而3D打印工艺由于具有对复杂以及嵌入式结构的成型优势以及低成本特点成为了制造工艺的首选，因此如何实现复合材料柔性应变传感器3D打印制造成为其能否广泛应用的关键。
其二是传感灵敏度问题，尽管已有众多研究对弹性压阻复合材料进行改进优化，但灵敏度的提升依旧有限，然而限制柔性应变传感器灵敏度的另一个重要因素是弹性体材料的高泊松比属性。常见弹性体的泊松比约0.5，传感器薄膜在纵向拉伸作用下会产生非常明显的横向收缩，使得纵向拉伸引起的压阻灵敏度被横向收缩严重削弱，因此消除传感器的横向泊松收缩成为提升柔性应变传感器灵敏度的重点研究方向。拉胀结构是一种负泊松比结构，能够在纵向拉伸的同时产生横向膨胀，若将其与柔性应变传感器结合实现传感器薄膜的双向膨胀，将有效提升其传感灵敏度。
目前已有一些拉胀结构应变传感器的先例，如中国专利(CN201910746851.3，名称：基于拉胀结构的高灵敏度、大拉伸应变传感器及其应用)就依靠拉胀结构实现了对柔性应变传感器灵敏度的提升，但其并未实现一体化3D打印成型从而导致制造工艺复杂。此外，拉胀结构的刚度影响着传感器薄膜的泊松比，对于灵敏度的提升至关重要，已有文献(F.Clemens,et al.,2D Printing of Piezoresistive Auxetic Silicone SensorStructures[J].IEEE Robotics and Automation Letters,vol.6,no.2,Apr.2021.)中在打印拉胀结构的材料中混入二氧化硅粉末以提升结构刚度并使得灵敏度产生较大提升，但二氧化硅的加入增加了材料脆性，多次拉伸后极易出现裂纹，可靠性不足。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种基于拉胀结构的3D打印复合材料柔性应变传感器及其制备方法，通过复合材料增强提升拉胀结构刚度，使柔性应变传感器在纵向拉伸时横向能够产生更强的膨胀效果，从而使得传感元件充分变形产生更大的电阻变化进而提升传感器灵敏度，同时提升传感器的可靠性；且通过使用3D打印工艺实现多材料的一体成型，大大简化制造工艺降低制造成本。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于拉胀结构的3D打印复合材料柔性应变传感器，包括嵌入于弹性薄膜2一侧的传感元件1，传感元件1两端与金属导线连接用于接入测试电路，弹性薄膜2的另一侧打印有拉胀结构支架3。
所述的弹性薄膜2材质为聚二甲基硅氧烷或硅橡胶等弹性材料预聚物与聚四氟乙烯或其他流变剂混合而成的复合材料，流变剂使原本为牛顿流体的预聚物转变为非牛顿流体，具有剪切变稀的属性，使材料能够应用于3D打印工艺；弹性薄膜通过3D打印并热固化而成，具有良好的柔韧性与可拉伸性，满足大拉伸应变传感器需求。
所述的传感元件1的形状为正弦波形、矩形波形、方波形、三角波形、锯齿波形或前述一种以上的组合图形。
所述的传感元件1材质为压阻复合材料，由弹性基体材料与导电填料混合组成；其中弹性基体材料为聚二甲基硅氧烷、硅橡胶等弹性体材料，导电填料为石墨烯、碳纳米管、炭黑、银纳米片等纳米导电填料。
所述的拉胀结构支架3为平面支架，形状为内凹六边形或中心旋转矩形单胞组成的单元阵列拉胀结构，具有负泊松比效应，用于抵消柔性应变传感器在纵向拉伸时产生的横向收缩，甚至使其产生横向膨胀。
所述的拉胀结构支架3材质为连续纤维增强弹性体复合材料，由弹性基体材料与连续纤维组成；其中弹性基体材料与弹性薄膜2材质相同，连续纤维为芳纶纤维、碳纤维、玻璃纤维等。
一种基于拉胀结构的3D打印复合材料柔性应变传感器的制备方法，包括以下步骤：
1)根据传感器应用场景设计3D打印复合材料柔性应变传感器的尺寸及形状参数；
2)按照比例通过机械搅拌混合分别制备用于打印传感元件1、弹性薄膜2与拉胀结构支架3的复合材料，选择连续纤维，并通过多材料3D打印设备一体化打印成型得到传感器结构；
3)将所得传感器结构进行高温固化工艺，得到复合材料柔性应变传感器。
所述的步骤1)中采用仿真软件为Abaqus，模拟出最优的传感元件1与拉胀结构支架3的形状与尺寸参数，以得到最高的传感器灵敏度。
所述的步骤2)中的多材料3D打印工艺为墨水直写(DIW)3D打印工艺。
所述的步骤2)中多材料3D打印成型过程为：首先打印传感元件1，其次切换材料打印弹性薄膜2使传感元件1嵌入其中，最后切换材料在弹性薄膜2上打印拉涨结构支架3，每次打印完成后打印底板加热与热风枪加热使复合材料预固化，实现传感器结构一体化成型。
与现有技术相比，本发明有益效果在于：
(1)本发明在弹性薄膜2一侧3D打印拉胀结构支架3，使整个柔性应变传感器在纵向拉伸时，抵消横向收缩，甚至通过优化结构参数使其产生横向膨胀，使得传感元件1内部的导电网络断裂程度增加，电阻信号变化明显，提升传感器灵敏度；
(2)本发明使用连续纤维增强弹性体复合材料打印拉胀结构支架3，连续纤维增强弹性体复合材料使3D打印得到的拉胀结构支架3具有更高刚度的同时具有较强柔韧性，能够有效抵抗弹性薄膜2的横向收缩并产生横向膨胀，且柔韧性能够保证传感器具有良好的可靠性，大大提升循环使用次数；
(3)本发明以多材料墨水直写(DIW)3D打印工艺作为柔性应变传感器的制造工艺，实现了传感器结构的一体化成型，极大简化了复杂以及嵌入式结构传感器的制造工艺，降低生产成本；
(4)本发明可以根据应用需求的不同，进行压阻复合材料传感元件1和弹性复合材料支架3的单元形状、尺寸参数以及单胞数量的调整与仿真优化。
附图说明
图1为实施例基于拉胀结构的3D打印复合材料柔性应变传感器的传感面示意图。
图2为实施例基于拉胀结构的3D打印复合材料柔性应变传感器的支架面示意图。
图3为实施例多材料墨水直写3D打印工艺采用的挤出装置示意图。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例及附图对本发明进行描述，但应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点而不是对本发明权利要求的限制。
如图1、图2所示，一种基于拉胀结构的3D打印复合材料柔性应变传感器，包括嵌入于弹性薄膜2一侧的传感元件1，传感元件1形状是正弦波形，传感元件1两端与金属导线连接用于接入测试电路；弹性薄膜2的另一侧打印拉胀结构支架3，拉胀结构支架3被打印为平面拉胀结构支架，其形状结构为由内凹六边形单胞组成的单元阵列，具有负泊松比效应，可以抵消柔性应变传感器在纵向拉伸时产生的横向收缩，甚至使其产生横向膨胀；传感元件1与拉胀结构支架3的形状尺寸参数由Abaqus仿真软件模拟确定，以使传感元件产生较大应变量。
所述的弹性薄膜2材质为混合有聚四氟乙烯(PTFE)微米级粉末的聚二甲基硅氧烷(PDMS)弹性体复合材料(PTFE-PDMS)，聚四氟乙烯粉末有效改善了聚二甲基硅氧烷的流变性，使原本为牛顿流体的聚二甲基硅氧烷转变为非牛顿流体，具有剪切变稀的属性，且被挤出后能够保持形状不塌陷，使得复合材料能够应用于3D打印工艺；弹性薄膜通过3D打印并热固化而成，且其固化后具有优异的弹性与可拉伸性，满足大拉伸应变传感器需求。
所述的传感元件1材质为混合有多壁碳纳米管(MWCNT)的聚二甲基硅氧烷(PDMS)弹性体复合材料(MWCNT-PDMS)，多壁碳纳米管均匀分散于聚二甲基硅氧烷中并在其内部形成导电网络，在拉伸过程中，由于导电网络的断裂重组使材料宏观上表现出电阻增大，具有良好的导电与压阻传感性能，基体材料聚二甲基硅氧烷保证了压阻复合材料优异的拉伸性能。
所述的拉胀结构支架3材质为连续碳纤维增强弹性体复合材料，其中弹性基体材料与弹性薄膜2材料相同，连续碳纤维增强弹性体复合材料使3D打印得到的拉胀结构支架3具有更高的刚度的同时具有较强柔韧性，能够有效抵抗弹性薄膜2的横向收缩并产生横向膨胀，且柔韧性能够保证传感器具有良好的可靠性，大大提升循环使用次数。
上述柔性应变传感器的应变传感过程如下：
在拉伸过程中，传感元件1中的导电网络断裂重组，导电通路减少，因此电阻上升，但弹性薄膜2的横向收缩会对导电网络产生压缩效果，导电通路增加，因此传感灵敏度受限，拉胀结构支架3由于其拉胀结构负泊松比效应，在拉伸过程中能够产生横向膨胀，抵消弹性薄膜2的横向收缩，甚至使其产生横向膨胀，纵向横向的双重膨胀，使传感元件1内部的导电网络充分断裂，使传感灵敏度得到提升。
一种基于拉胀结构的3D打印复合材料柔性应变传感器的制备方法，包括以下步骤：
1)根据传感器应用场景设计3D打印复合材料柔性应变传感器的尺寸及形状参数；采用仿真软件为Abaqus，模拟出最优的传感元件1与拉胀结构支架3的形状与尺寸参数，以得到最高的传感器灵敏度；
2)按照比例通过机械搅拌混合分别制备用于打印传感元件1、弹性薄膜2与拉胀结构支架3的复合材料，选择连续纤维，并通过多材料3D打印设备一体化打印成型得到传感器结构；
多材料3D打印工艺为墨水直写(DIW)3D打印工艺，多材料3D打印成型过程为：首先打印传感元件1，其次切换材料打印弹性薄膜2使传感元件1嵌入其中，最后切换材料在弹性薄膜2上打印拉涨结构支架3，每次打印完成后打印底板加热与热风枪加热使复合材料预固化，实现传感器结构一体化成型；
3)将所得传感器结构进行高温固化工艺，得到复合材料柔性应变传感器。
多材料墨水直写(DIW)3D打印工艺通过切换装有不同复合材料的挤出装置实现；如图3所示，每一个挤出装置包括料筒6，料筒6固定于3D打印机的传动装置上，料筒6中装有弹性体复合材料，连续纤维4通过中空推杆5、中间带有微孔的活塞7与喷嘴8贯穿整个挤出装置，在中空推杆5推动活塞7的驱动下，连续纤维4由于喷嘴8内部弹性复合材料的剪切力与纤维的牵扯力作用下与弹性体复合材料一起从喷嘴8挤出成为连续纤维增强弹性体复合材料9。
在打印非连续纤维增强的复合材料时，只需更换活塞7为无微孔的活塞并移除连续纤维4即可。
本发明通过多材料3D打印技术实现柔性应变传感器的一体化成型制造，对于拉伸应变检测，由于传统的应变传感器薄膜弹性材料的高泊松比，在拉伸过程中会产生明显的横向收缩，抑制传感元件的变形，从而限制了传感灵敏度，而本发明利用拉胀结构支架3的拉胀结构的负泊松比效应，将拉胀结构支架3通过3D打印工艺置于弹性薄膜2一侧，使整个传感器在拉伸过程中抑制横向收缩，甚至使其产生横向膨胀，使传感元件1充分拉伸变形，产生更加明显的电阻变化，提升传感灵敏度；拉胀结构支架3中由于连续纤维的增强效果，具有更高的刚度的同时具有较强柔韧性，能够有效抵抗弹性薄膜2的横向收缩并产生横向膨胀，且柔韧性能够保证传感器具有良好的可靠性，大大提升循环使用次数；拉胀结构支架3纵向与横向的双向膨胀克服了传统柔性应变传感器的材料高泊松比的缺陷，提升了传感器的灵敏度，使得结构变形检测精度更高；同时多材料墨水直写(DIW)3D打印技术的制备方法实现了传感器结构的一体化成型，极大简化了复杂以及嵌入式结构传感器的制造工艺，降低生产成本，推动柔性应变传感器在可穿戴设备、软体机器人以及大变形结构形状检测领域的广泛应用。

Claims (2)

1.一种基于拉胀结构的3D打印复合材料柔性应变传感器，其特征在于：包括嵌入于弹性薄膜（2）一侧的传感元件（1），传感元件（1）两端与金属导线连接用于接入测试电路，弹性薄膜（2）的另一侧打印有拉胀结构支架（3）；
所述的弹性薄膜（2）材质为聚二甲基硅氧烷或硅橡胶的弹性材料预聚物与聚四氟乙烯或其他流变剂混合而成的复合材料，流变剂使原本为牛顿流体的预聚物转变为非牛顿流体，具有剪切变稀的属性，使材料能够应用于3D打印工艺；薄膜通过3D打印并热固化而成，具有良好的柔韧性与可拉伸性，满足大拉伸应变传感器需求；
所述的传感元件（1）材质为压阻复合材料，由弹性基体材料与导电填料混合组成；其中弹性基体材料为聚二甲基硅氧烷、硅橡胶的弹性体材料，导电填料为石墨烯、碳纳米管、炭黑或银纳米片的纳米导电填料；
所述的拉胀结构支架（3）为平面支架，形状为内凹六边形或中心旋转矩形单胞组成的单元阵列拉胀结构，具有负泊松比效应，用于抵消柔性应变传感器在纵向拉伸时产生的横向收缩，甚至使其产生横向膨胀；
所述的拉胀结构支架（3）材质为连续纤维增强弹性体复合材料，由弹性基体材料与连续纤维组成；其中弹性基体材料与弹性薄膜（2）材质相同，连续纤维为芳纶纤维、碳纤维或玻璃纤维；
所述的一种基于拉胀结构的3D打印复合材料柔性应变传感器的制备方法，包括以下步骤：
1）根据传感器应用场景设计3D打印复合材料柔性应变传感器的尺寸及形状参数；
2）按照比例通过机械搅拌混合分别制备用于打印传感元件（1）、弹性薄膜（2）与拉胀结构支架（3）的复合材料，选择连续纤维，并通过多材料3D打印设备一体化打印成型得到传感器结构；
3）将所得传感器结构进行高温固化工艺，得到复合材料柔性应变传感器；
所述的步骤1)中采用仿真软件为Abaqus，模拟出最优的传感元件（1）与拉胀结构支架（3）的形状与尺寸参数，以得到最高的传感器灵敏度；
所述的步骤2)中的多材料3D打印工艺为墨水直写（DIW）3D打印工艺；
所述的步骤2)中多材料3D打印成型过程为：首先打印传感元件（1），其次切换材料打印弹性薄膜（2）使传感元件（1）嵌入其中，最后切换材料在弹性薄膜（2）上打印拉胀结构支架（3），每次打印完成后打印底板加热与热风枪加热使复合材料预固化，实现传感器结构一体化成型。
2.根据权利要求1所述的一种基于拉胀结构的3D打印复合材料柔性应变传感器，其特征在于：所述的传感元件（1）的形状为正弦波形、矩形波形、方波形、三角波形、锯齿波形或前述一种以上的组合图形。
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