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通過(guò)應(yīng)變引起材料長(zhǎng)度/形狀變形導(dǎo)致電阻變化原理已被廣泛應(yīng)用于傳感器制造。商用薄膜電阻式應(yīng)變片通過(guò)在聚酰亞胺薄膜上濺射沉積薄金屬蛇形線，可將電阻變化放大。但該應(yīng)變?cè)O(shè)計(jì)存在制造成本高且反復(fù)彎曲后薄金屬線條容易發(fā)生失效，不適合用于人體和復(fù)雜3D表面進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)。

通過(guò)導(dǎo)電納米填料和柔性高分子復(fù)合制備的復(fù)合導(dǎo)電材料已經(jīng)廣泛用于柔性可拉伸傳感器的制備，但目前在實(shí)踐中充分跟蹤隨機(jī)應(yīng)變的需求仍沒(méi)有得到解決。絲網(wǎng)印刷技術(shù)工藝簡(jiǎn)單、材料成本低，具有低溫和圖案化設(shè)計(jì)大面積生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)。

近日，江南大學(xué)采用多壁碳納米管/聚二甲基硅氧烷（MWCNTs/PDMS）導(dǎo)電復(fù)合油墨，通過(guò)印刷工藝制備出可跟蹤和監(jiān)測(cè)應(yīng)變的全向應(yīng)變傳感器。相關(guān)論文以題為“MWCNTs/PDMS composite enabled printed flexible omnidirectional strain sensors for wearable electronics”發(fā)表在Composites Science and Technology。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0266353822002603

在本研究中，作者將MWCNTs /PDMS導(dǎo)電油墨通過(guò)絲網(wǎng)印刷在聚酰亞胺（PET）上進(jìn)行圖案化，然后將PDMS涂覆在干燥的印刷品，經(jīng)過(guò)固化后進(jìn)行剝離得到嵌入印刷的MWCNTs / PDMS傳感器的薄膜，經(jīng)過(guò)剝離得到的薄膜在另一側(cè)涂覆PDMS進(jìn)行封裝。通過(guò)該制備工藝可以實(shí)現(xiàn)適應(yīng)多場(chǎng)景的多圖案柔性傳感器的制備（圖1）。

圖1. 制造過(guò)程和印刷柔性應(yīng)變傳感器的圖示

油墨的的印刷適性、穩(wěn)定性和導(dǎo)電性以及印刷質(zhì)量會(huì)影響柔性傳感器的傳感性能，作者通過(guò)對(duì)油墨的粘彈性以及對(duì)MWCNTs改性的研究，實(shí)現(xiàn)油墨配方的優(yōu)化。

圖2. MWCNTs/PDMS復(fù)合油墨的特性

印刷工藝的圖案化制備有利于滿足柔性傳感器的多種制備需求：雙端蛇形作為單向傳感器能夠?qū)v向（Y方向）的拉伸應(yīng)變具有良好的傳感性能；通過(guò)雙向應(yīng)變傳感器設(shè)計(jì)（圖4a），其可以同時(shí)測(cè)量X和Y方向的應(yīng)變同時(shí)通過(guò)比較信號(hào)強(qiáng)弱可以判斷應(yīng)變的施加方向。圓形應(yīng)變傳感器（圖4d）的設(shè)計(jì)可以監(jiān)測(cè)到全方向的應(yīng)變，不管所施加的應(yīng)變方向如何，該圓形傳感器均會(huì)發(fā)生對(duì)稱變形，在工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)中具有廣泛的應(yīng)用前景。玫瑰花環(huán)應(yīng)變傳感器（圖4g）可以確定應(yīng)變和定位應(yīng)變方向。

圖3. 印刷柔性單向應(yīng)變傳感器性能評(píng)估

圖4. 圖形化應(yīng)變傳感器性能

圖5. 柔性應(yīng)變傳感器的有限元分析結(jié)果

圖6. 印刷柔性應(yīng)變傳感器的可重復(fù)性和穩(wěn)定性

圖7. 圖案化柔性應(yīng)變傳感器的應(yīng)用及其增材制造應(yīng)變傳感器原理圖

總的來(lái)說(shuō)，這項(xiàng)研究采用增材絲網(wǎng)印刷和一步法轉(zhuǎn)移工藝制備了柔性應(yīng)變傳感器薄膜，并通過(guò)圖案設(shè)計(jì)滿足各種應(yīng)變監(jiān)測(cè)需求。該印刷傳感器具有良好的靈活性和對(duì)3D輪廓表面（如人體）的共形，對(duì)應(yīng)變循環(huán)的敏感性和穩(wěn)定性，以及長(zhǎng)期使用的可重復(fù)性和再現(xiàn)性。最后，作者演示了一種可簡(jiǎn)單快速實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制造的工藝路線，有利于推動(dòng)該傳感器實(shí)現(xiàn)從實(shí)驗(yàn)室到工廠的流線制造，具有廣泛的應(yīng)用前景。