3D打印高性能柔性可弯曲传感器，实现结构设计与制造工艺的协同控制

导读：增材制造（AM）为传感器创造了新的可能性，因为这种制造技术允许在具体应用中进行定制。这种特性最近被用于软体机器人和可穿戴设备等应用中。不同的增材制造技术在打印速度、精度和可用材料方面提供了独特的优势。许多研究已经进行，以通过修改材料成分来改善传感器的性能。尽管如此，人们对传感器形状对传感器输出的影响的基本方面知之甚少。

2022年9月19日，南极熊获悉，在《Additive Manufacturing Letters》杂志最近发表的一篇题为“Conductive Compliant Mechanisms: Geometric tuning of 3D printedflexural sensors”论文中，研究人员展示了增材制造（AM）在制造挠性传感器中的应用，以评估传感器几何形状对传感器输出的影响，从而强调了几何设计考虑在增材制造微调挠性传感器中的重要性。

相关论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2772369022000573?via%3Dihub#fig0001

关于这项研究

导电聚合物复合材料（CPCs）是可以检测大量应变的传感器的一个有吸引力的材料选择。由于长碳纳米管（CNT）的高缠结性，基于CNT的化合物通常适用于高应变操作。另一种用于制造CPC传感器的物质是导电碳黑（CCB）。纯粹的应变值很容易理解，但几个弯曲传感器的应用可能涉及弯曲过程中遇到的压缩和拉伸应力的组合。虽然从纯应变的角度理解很简单，但从梁弯曲过程中出现的拉伸和压缩应力的组合来看，理解起来就比较困难。

在这项研究中，研究团队制作了三个具有不同变形测量区域的传感器，并对其进行测试，以评估传感器几何形状的影响。他们的目的是证明在整个设计过程中如何增强弯曲传感器的几何形状。三种传感器的比较是在一个实验测试装置上进行的，该装置允许传感器循环加载，同时测量其电阻。

△本研究的图形概要

为了达到稳定的长丝和充分的分散性，导电长丝的制备分两步进行。挤压过程稳定后，在制备长丝前丢弃了运行中的材料。材料挤压增材制造（MEX）被用来生产三种不同的传感器设计。短曲和长曲设计分别围绕一个固定的位置进行弯曲，弯曲面积较小或较大。所有的传感器设计都是分三套生产的。

△复合材料长丝生产的过程

传感器的弯曲特性是使用定制的测试设备进行的。每个样品都接受了两次测试。导电网络的微观结构使用扫描电子显微镜（SEM）进行了表征。在进行显微镜检查之前，对长丝进行了低温断裂，并对传感器试样进行了低温微加工。在0.5V振幅的电压激励下，进行了阻抗光谱分析。

△传感器设计和尺寸

结果分析

在传感器的横截面上观察到了导电网络。该网络在传感器制造后没有显示出明显的排列。结果阻抗的相位和幅度在所有样品中都显示出相同的反应。响应的特点是非常平坦的，这意味着在整个观察范围内，灯丝的电气行为类似于一个典型的电阻器。

△(a) 细丝的低温断裂横截面和 (b) MEX 生产的传感器的横截面的 SEM 图像。

三个传感器有不同的弯曲部分长度，但设计在相同的脚印下，因此观察到的差异是变形浓度。在最大弯曲角度下，加长、缩短和简单弯曲传感器的电阻平均相对变化分别为0.16%、4.30%和0.77%。它们由类似的材料制成，并承受相同程度的弯曲。然而，它们的输出振幅却有很大的不同。

△长丝的阻抗光谱

在整个弯曲周期内，通过弯曲产生的拉伸应变对短弯曲的导电网络产生了主导性影响。对于一半的弯曲周期，简单的弯曲表现出电阻的增加和减少。层的融合是由于MEX过程，它可以通过印刷温度和速度来调节，允许进一步的手段来修改传感器的信号。弯曲扩展的柔性传感器所需的力大约是弯曲简单的柔性传感器所需力的四分之一。另一方面，短柔性传感器需要的弯曲力是简单柔性传感器的25倍。