軟結(jié)構(gòu)的紡織品或軟商品在空天工業(yè)中被用于充氣棲息地、降落傘和減速器系統(tǒng)。通過(guò)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng) (SHM，Structural Health Monitoring Systems) 評(píng)估這些系統(tǒng)的安全性和結(jié)構(gòu)完整性，該系統(tǒng)集成了非侵入性/非破壞性測(cè)試方法來(lái)檢測(cè)、診斷和定位損壞。

在使用傳統(tǒng)應(yīng)變儀時(shí)，這些系統(tǒng)的應(yīng)變/負(fù)載監(jiān)測(cè)受到限制，因?yàn)檫@些應(yīng)變儀通常很硬，在低溫下運(yùn)行，并且在承受高應(yīng)變時(shí)失效，這是由于高負(fù)載將它們分級(jí)為不適合軟結(jié)構(gòu)紡織品的 SHM。

對(duì)于這項(xiàng)工作，基于電容的應(yīng)變儀 (CSG) 是通過(guò)氣溶膠噴射打印 (AJP) 在柔性聚合物基板上使用銀納米粒子墨水制造的。然后將打印的應(yīng)變儀與市售的基于高拉伸阻力的應(yīng)變儀 (HE-RSG，High Elongation Resistance-based Strain Gauge) 進(jìn)行比較，以了解其監(jiān)測(cè)具有 26.7 kN (6klbf) 負(fù)載的應(yīng)變 Kevlar 帶的能力。

動(dòng)態(tài)、靜態(tài)和循環(huán)載荷用于表征兩種類型的應(yīng)變監(jiān)測(cè)設(shè)備。與常用的 HE-RSG 相比，打印的 CSG 在高伸長(zhǎng)應(yīng)變測(cè)量方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，并且當(dāng)電極排列垂直于應(yīng)變方向時(shí)，觀察到其以 5.2 的應(yīng)變系數(shù)工作。

引言

柔軟的結(jié)構(gòu)紡織品，也稱為軟制品，重量輕，強(qiáng)度高，對(duì)于充氣棲息地、降落傘和減速器系統(tǒng)的航天工業(yè)特別感興趣。與金屬合金和剛性復(fù)合材料等傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料相比，這些技術(shù)紡織品的優(yōu)勢(shì)在于它們顯著節(jié)省了質(zhì)量和體積。

除了好處之外，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè) (SHM) 的非破壞性/非侵入性測(cè)試方法的需要也帶來(lái)了復(fù)雜性，這需要能夠測(cè)量非常高的應(yīng)變率的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。用于充氣棲息地、降落傘和減速系統(tǒng)的 SHM 系統(tǒng)用于確保機(jī)組人員的安全，旨在建立緊急通知系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)智能進(jìn)入、下降和著陸 (EDL) 操作。理想情況下，適用于這些應(yīng)用的 SHM 系統(tǒng)將提供對(duì)應(yīng)變/負(fù)載的連續(xù)監(jiān)測(cè)，以實(shí)時(shí)檢測(cè)、診斷和定位損壞，以進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)以及事故發(fā)生后。

檢測(cè)機(jī)械變形是通過(guò)各種傳感機(jī)制實(shí)現(xiàn)的，如電容、電阻或壓電特性。然而，最廣泛使用的應(yīng)變傳感設(shè)備是基于電阻的應(yīng)變計(jì)（RSG）。傳統(tǒng)上，應(yīng)變計(jì)適用于金屬，它們使用相對(duì)堅(jiān)硬的基底，在必須進(jìn)行校正之前在室溫下最有效地工作，應(yīng)變低于 5%，在長(zhǎng)期測(cè)試中顯示滯后，并在更高應(yīng)變下發(fā)生機(jī)械故障。當(dāng)考慮軟結(jié)構(gòu)材料時(shí)，應(yīng)變計(jì)必須能夠承受與高負(fù)荷材料相關(guān)的高應(yīng)變率（5–50%），但傳統(tǒng)應(yīng)變計(jì)的固有剛度會(huì)導(dǎo)致設(shè)備故障，并將其歸類為不適合軟結(jié)構(gòu)材料的檢查。更流行的 RSG 的其他局限性在于電阻率對(duì)工作溫度和施加應(yīng)變的依賴性。

這種依賴性會(huì)導(dǎo)致非線性應(yīng)變響應(yīng)和由可變靈敏度引起的設(shè)備滯后，因?yàn)樵跍y(cè)試期間，量規(guī)系數(shù)不保持恒定。最后，傳統(tǒng)應(yīng)變傳感器的制造過(guò)程復(fù)雜，制造成本高，材料浪費(fèi)，限制了其應(yīng)用和發(fā)展。因此，開(kāi)發(fā)軟結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)變傳感方法需要能夠制造具有高柔性和魯棒性的設(shè)備，使其能夠承受包括高應(yīng)變和高溫在內(nèi)的惡劣環(huán)境。

基于電容的應(yīng)變儀 (CSG) 提供了一種強(qiáng)大的傳感機(jī)制，能夠解決與 RSG 的電阻率滯后相關(guān)的性能問(wèn)題。CSG 在很大程度上取決于電極和介電層之間的幾何變化，在循環(huán)測(cè)試期間通常不會(huì)遭受永久塑性變形。這些設(shè)備通常包括平行板電容器或叉指電極設(shè)計(jì)。CSG 可用于許多與 RSG 相同的應(yīng)用，通常顯示的更高應(yīng)變系數(shù)，同時(shí)還降低了對(duì)噪聲和溫度的敏感度。

目前，商業(yè) CSG 是可用的，通常由平行板設(shè)計(jì)組成，將應(yīng)變測(cè)量限制在垂直于測(cè)量方向的應(yīng)變測(cè)量，它們可以監(jiān)控的幾何形狀受到限制，或者需要笨重的機(jī)電設(shè)備來(lái)進(jìn)行機(jī)械連接。這些問(wèn)題可以通過(guò)使用具有叉指電極設(shè)計(jì)的 CSG 來(lái)克服。叉指電極保留了 CSG 與 RSG 在惡劣環(huán)境中相關(guān)的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)提供一種工具，通過(guò)該工具，CSG 可以直接集成到結(jié)構(gòu)部件上。

之前使用柔性應(yīng)變計(jì)對(duì) Kevlar 織帶進(jìn)行了測(cè)試，得出的結(jié)論是，CSG 在動(dòng)態(tài)和長(zhǎng)期加載條件下的性能優(yōu)于 RSG，類似于本工作3中研究的情況。最后，使用電容作為傳感機(jī)制使傳感器更適合需要無(wú)線應(yīng)變傳感器測(cè)量的應(yīng)用。在智能下降和著陸（EDL）運(yùn)行期間，這對(duì)SHM 非常有利。

引入軟結(jié)構(gòu)材料 SHM 所需的靈活性，可以通過(guò)利用打印和柔性電子產(chǎn)品增材制造的最新進(jìn)展來(lái)實(shí)現(xiàn)。諸如氣溶膠噴射打印 (AJP) 等增材制造技術(shù)是相對(duì)簡(jiǎn)單和低成本的制造工藝，可用于制造柔性 CSG，其中用于柔性應(yīng)用的典型基材包括聚酰亞胺（polyimide）、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate）和聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane）。

打印電子技術(shù)涉及使用納米顆粒懸浮液或油墨形式的功能材料，然后將其沉積到易變聚合物背襯上。沉積后，除去溶劑和分散/封端劑以產(chǎn)生功能裝置，然后將其連接到使用者的衣服或皮膚上。這種橫切技術(shù)展示了軟結(jié)構(gòu)材料 SHM 的巨大潛力，因?yàn)檫@些設(shè)備的功能取決于它們的高靈活性、長(zhǎng)耐久性、快速響應(yīng)、快速恢復(fù)時(shí)間和高應(yīng)變敏感性。

氣溶膠噴射（Aerosol Jet Printing）3D 打印技術(shù)是一種非接觸式沉積，基于油墨的霧化形成沉積在基材上的細(xì)霧或氣溶膠。AJP 工藝消除了與傳統(tǒng)制造方法相關(guān)的許多限制，它引入了使用各種材料（如金屬納米顆粒、碳納米材料、功能陶瓷、半導(dǎo)體、生物分子和其他功能材料）打印的能力，因?yàn)槟姆秶梢詮?1 - 2500 cP。

此外，設(shè)備設(shè)計(jì)不再受材料或幾何形狀的限制，因?yàn)?AJP 引入了在各種基板/表面上打印的能力，并提供了從 10 μm 到 5mm 的各種特征尺寸。憑借實(shí)現(xiàn)更高打印分辨率的能力，AJP 有可能通過(guò)最大化結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)空間來(lái)提高設(shè)備靈敏度，并為傳感器制造提供低成本選擇。

結(jié)果打印CSG設(shè)計(jì)

軍用級(jí) Kevlar 織帶用于建造充氣棲息地和降落傘，測(cè)量這些結(jié)構(gòu)承受的應(yīng)變能力對(duì)NASA 來(lái)說(shuō)是一個(gè)挑戰(zhàn)。為了制作電容式應(yīng)變計(jì)，采用了叉指結(jié)構(gòu)，其工作方式與串聯(lián)多個(gè)平行板電容器類似。設(shè)備布局的示意圖如圖 1a 所示，實(shí)際打印傳感器的光學(xué)圖像如圖 1b所示。電容是一種交叉結(jié)構(gòu)的結(jié)果，跨越 3.6 cm 和 1.6 cm，有 50 個(gè)數(shù)字對(duì)或 100 個(gè)總電極。選擇這些特定的設(shè)計(jì)參數(shù)是為了最大化理論電容和傳感面積。

此外，尺寸限制與氣溶膠噴射打印技術(shù)和 2.54 cm 寬的 Kevlar 織帶的性能有關(guān)。使用銀環(huán)氧樹(shù)脂將銅線引線連接到設(shè)備上，并使用介電常數(shù)為 5.70 的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）作為保護(hù)層和電極之間的電介質(zhì)，以提高設(shè)備電容，而不是在空氣具有相同功能的情況下。最后，選擇 Kapton（FPC 5 mil，125 μm）作為柔性基板，因?yàn)楫?dāng)承受最大負(fù)載能力時(shí)，它能夠承受遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于

Kevlar 帶最大伸長(zhǎng)率的伸長(zhǎng)率。CSG 使用通用駁船水泥（APBC）連接到 Kevlar 帶上。

圖文導(dǎo)讀

圖1. 打印柔性叉指電極電容式應(yīng)變計(jì)的設(shè)計(jì)。a 具有包含 50 個(gè)數(shù)字對(duì)的叉指電極結(jié)構(gòu)的傳感器配置示意圖，b 連接到 Kevlar 帶的 Kapton 基板上的電容應(yīng)變計(jì)的光學(xué)圖像（比例尺代表 1 cm）。

圖2. 描繪氣溶膠噴射打印沉積的銀線形態(tài)的顯微照片。a 和 b 聚酰亞胺基板上銀應(yīng)變計(jì)的光學(xué)顯微鏡圖像（比例尺代表 250 μm），以及 AJP 在聚酰亞胺上沉積銀電極的 c 光學(xué)輪廓圖。橫截面掃描電子顯微鏡表征顯示 d 銀電極代表 AJP 沉積應(yīng)變計(jì)（比例尺代表 50 μm），e PMMA 電介質(zhì)厚度（比例尺代表 10 μm）和 f 打印銀厚度（比例尺代表 2.5 μm）。

圖3. 打印 CSG 叉指電極結(jié)構(gòu)的器件設(shè)計(jì)參數(shù)。a 詳細(xì)說(shuō)明用于計(jì)算理論電容的變量的示意圖，以及與這些變量相關(guān)的 b 值，其中尺寸值報(bào)告為具有代表整個(gè)設(shè)備的測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差的平均值。

圖4. 基于打印電容的應(yīng)變計(jì)動(dòng)態(tài)、靜態(tài)和循環(huán)拉伸測(cè)試結(jié)果。打印 CSG 的電容相對(duì)變化（%），其中總共有七個(gè)不同的裝置（表1）用于動(dòng)態(tài)（裝置 a-e）、靜態(tài)（裝置 a-e）或循環(huán)（裝置 f、g）測(cè)試。對(duì)于電極 a 垂直于應(yīng)變方向（裝置 a-c）且電極 b 平行于應(yīng)變方向（裝置 d-e）的裝置，在 18.7 kN 的目標(biāo)載荷下進(jìn)行動(dòng)態(tài)試驗(yàn)的結(jié)果。對(duì)于電極 c 垂直于應(yīng)變方向（裝置 a-c）和 d 平行于應(yīng)變方向（裝置 d-e）的相同裝置，在 18.7 kN 下進(jìn)行的靜態(tài)試驗(yàn)的結(jié)果，以及電極垂直于應(yīng)變方向的兩個(gè)不同裝置（f、g）的循環(huán)試驗(yàn)的結(jié)果。誤差條是估計(jì)的實(shí)驗(yàn)不確定度（補(bǔ)充討論）。在所有圖像中，比例尺代表 1.0 cm。

圖5. 商用電阻應(yīng)變計(jì)的應(yīng)變響應(yīng)。在以 44.5 N/s的斜率進(jìn)行動(dòng)態(tài)試驗(yàn)期間，商業(yè) RSG的應(yīng)變響應(yīng)（其電極平行于應(yīng)變方向布置），在 18.7 kN的載荷下進(jìn)行b靜態(tài)試驗(yàn)，在5.3 kN和10.7 kN的載荷下進(jìn)行c循環(huán)試驗(yàn)。誤差條是估計(jì)的實(shí)驗(yàn)不確定度（補(bǔ)充討論）。比例尺代表4.0毫米。

討論通過(guò)氣溶膠噴射（Aerosol Jet）打印技術(shù)，以銀為電容材料，PMMA為電介質(zhì)，制作了電容式應(yīng)變計(jì)。打印 CSG 的起始電容值在 42pF 到 15nF 之間。采用柔性基材 Kapton，為這些裝置提供所需的柔性，以承受高負(fù)載/應(yīng)變，通用駁船水泥用作 Kapton 和 Kevlar 帶之間的粘合劑。對(duì)電極沿垂直方向或平行于應(yīng)變方向的布置進(jìn)行動(dòng)態(tài)和靜態(tài)測(cè)試，并使用垂直布置進(jìn)行循環(huán)測(cè)試。

此外，在相同條件下，利用相同的連接策略對(duì) RSG 進(jìn)行測(cè)試，以比較其對(duì)打印 CSG 的響應(yīng)，并評(píng)估其對(duì)軟結(jié)構(gòu)材料 SHM 的適用性。啟動(dòng)電容在 nF 范圍內(nèi)的器件顯示出最高的靈敏度，對(duì)于電極垂直于應(yīng)變方向布置的器件，獲得了 5.2 的應(yīng)變系數(shù)。最后，與商用 HE-RSG 相比，打印 CSG 在靜態(tài)、動(dòng)態(tài)和循環(huán)事件中表現(xiàn)更好，因此被確定為更適合高伸長(zhǎng)率應(yīng)用的候選材料。


方法

器件制造

叉指式 CSG 裝置的布局如圖 1a 所示。器件制造始于將 SicrysTM 160PM-116（PV Nanocell）沉積到 125 μm 厚的 DuPont Kapton（FPC）上。打印是通過(guò)配備 200μm 噴嘴的Optomec 的 Aerosol Jet 200 的氣動(dòng)霧化器（PA）實(shí)現(xiàn)的。打印時(shí)，將油墨保持在 23°C 以穩(wěn)定油墨，并將打印薄膜在 300°C下加熱 30 分鐘以去除任何殘留溶劑。

對(duì)工具壓板溫度、噴嘴直徑、氣動(dòng)霧化器、氣動(dòng)排氣和護(hù)套氣流進(jìn)行了優(yōu)化，以確保功能材料的線寬和材料沉積足以獲得導(dǎo)電痕跡。使用銀環(huán)氧樹(shù)脂（Epotek，H20E）將 30 號(hào)銅線粘附到打印接觸墊上，并在設(shè)備表面滴涂一層 950 PMMA A11（Kayaku Advanced Materials，Inc.）作為電介質(zhì)。打印的 CSG 和市面上采購(gòu)的 HE-RSG（HBM，Inc.）裝置均與 Kevlar 帶相連，Kevlar帶的最大承載能力約為 27 kN（6 klbf），帶有通用駁船水泥。

原論文鏈接：

npj Flexible Electronics (2020) 4:32 ;

https://doi.org/10.1038/s41528-020-00095-4

文章轉(zhuǎn)載自：云尚智造

軟結(jié)構(gòu)的紡織品或軟商品在空天工業(yè)中被用于充氣棲息地、降落傘和減速器系統(tǒng)。通過(guò)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng) (SHM，Structural Health Monitoring Systems) 評(píng)估這些系統(tǒng)的安全性和結(jié)構(gòu)完整性，該系統(tǒng)集成了非侵入性/非破壞性測(cè)試方法來(lái)檢測(cè)、診斷和定位損壞。

在使用傳統(tǒng)應(yīng)變儀時(shí)，這些系統(tǒng)的應(yīng)變/負(fù)載監(jiān)測(cè)受到限制，因?yàn)檫@些應(yīng)變儀通常很硬，在低溫下運(yùn)行，并且在承受高應(yīng)變時(shí)失效，這是由于高負(fù)載將它們分級(jí)為不適合軟結(jié)構(gòu)紡織品的 SHM。

對(duì)于這項(xiàng)工作，基于電容的應(yīng)變儀 (CSG) 是通過(guò)氣溶膠噴射打印 (AJP) 在柔性聚合物基板上使用銀納米粒子墨水制造的。然后將打印的應(yīng)變儀與市售的基于高拉伸阻力的應(yīng)變儀 (HE-RSG，High Elongation Resistance-based Strain Gauge) 進(jìn)行比較，以了解其監(jiān)測(cè)具有 26.7 kN (6klbf) 負(fù)載的應(yīng)變 Kevlar 帶的能力。

動(dòng)態(tài)、靜態(tài)和循環(huán)載荷用于表征兩種類型的應(yīng)變監(jiān)測(cè)設(shè)備。與常用的 HE-RSG 相比，打印的 CSG 在高伸長(zhǎng)應(yīng)變測(cè)量方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，并且當(dāng)電極排列垂直于應(yīng)變方向時(shí)，觀察到其以 5.2 的應(yīng)變系數(shù)工作。

引言

柔軟的結(jié)構(gòu)紡織品，也稱為軟制品，重量輕，強(qiáng)度高，對(duì)于充氣棲息地、降落傘和減速器系統(tǒng)的航天工業(yè)特別感興趣。與金屬合金和剛性復(fù)合材料等傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料相比，這些技術(shù)紡織品的優(yōu)勢(shì)在于它們顯著節(jié)省了質(zhì)量和體積。

除了好處之外，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè) (SHM) 的非破壞性/非侵入性測(cè)試方法的需要也帶來(lái)了復(fù)雜性，這需要能夠測(cè)量非常高的應(yīng)變率的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。用于充氣棲息地、降落傘和減速系統(tǒng)的 SHM 系統(tǒng)用于確保機(jī)組人員的安全，旨在建立緊急通知系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)智能進(jìn)入、下降和著陸 (EDL) 操作。理想情況下，適用于這些應(yīng)用的 SHM 系統(tǒng)將提供對(duì)應(yīng)變/負(fù)載的連續(xù)監(jiān)測(cè)，以實(shí)時(shí)檢測(cè)、診斷和定位損壞，以進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)以及事故發(fā)生后。

檢測(cè)機(jī)械變形是通過(guò)各種傳感機(jī)制實(shí)現(xiàn)的，如電容、電阻或壓電特性。然而，最廣泛使用的應(yīng)變傳感設(shè)備是基于電阻的應(yīng)變計(jì)（RSG）。傳統(tǒng)上，應(yīng)變計(jì)適用于金屬，它們使用相對(duì)堅(jiān)硬的基底，在必須進(jìn)行校正之前在室溫下最有效地工作，應(yīng)變低于 5%，在長(zhǎng)期測(cè)試中顯示滯后，并在更高應(yīng)變下發(fā)生機(jī)械故障。當(dāng)考慮軟結(jié)構(gòu)材料時(shí)，應(yīng)變計(jì)必須能夠承受與高負(fù)荷材料相關(guān)的高應(yīng)變率（5–50%），但傳統(tǒng)應(yīng)變計(jì)的固有剛度會(huì)導(dǎo)致設(shè)備故障，并將其歸類為不適合軟結(jié)構(gòu)材料的檢查。更流行的 RSG 的其他局限性在于電阻率對(duì)工作溫度和施加應(yīng)變的依賴性。

這種依賴性會(huì)導(dǎo)致非線性應(yīng)變響應(yīng)和由可變靈敏度引起的設(shè)備滯后，因?yàn)樵跍y(cè)試期間，量規(guī)系數(shù)不保持恒定。最后，傳統(tǒng)應(yīng)變傳感器的制造過(guò)程復(fù)雜，制造成本高，材料浪費(fèi)，限制了其應(yīng)用和發(fā)展。因此，開(kāi)發(fā)軟結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)變傳感方法需要能夠制造具有高柔性和魯棒性的設(shè)備，使其能夠承受包括高應(yīng)變和高溫在內(nèi)的惡劣環(huán)境。

基于電容的應(yīng)變儀 (CSG) 提供了一種強(qiáng)大的傳感機(jī)制，能夠解決與 RSG 的電阻率滯后相關(guān)的性能問(wèn)題。CSG 在很大程度上取決于電極和介電層之間的幾何變化，在循環(huán)測(cè)試期間通常不會(huì)遭受永久塑性變形。這些設(shè)備通常包括平行板電容器或叉指電極設(shè)計(jì)。CSG 可用于許多與 RSG 相同的應(yīng)用，通常顯示的更高應(yīng)變系數(shù)，同時(shí)還降低了對(duì)噪聲和溫度的敏感度。

目前，商業(yè) CSG 是可用的，通常由平行板設(shè)計(jì)組成，將應(yīng)變測(cè)量限制在垂直于測(cè)量方向的應(yīng)變測(cè)量，它們可以監(jiān)控的幾何形狀受到限制，或者需要笨重的機(jī)電設(shè)備來(lái)進(jìn)行機(jī)械連接。這些問(wèn)題可以通過(guò)使用具有叉指電極設(shè)計(jì)的 CSG 來(lái)克服。叉指電極保留了 CSG 與 RSG 在惡劣環(huán)境中相關(guān)的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)提供一種工具，通過(guò)該工具，CSG 可以直接集成到結(jié)構(gòu)部件上。

之前使用柔性應(yīng)變計(jì)對(duì) Kevlar 織帶進(jìn)行了測(cè)試，得出的結(jié)論是，CSG 在動(dòng)態(tài)和長(zhǎng)期加載條件下的性能優(yōu)于 RSG，類似于本工作3中研究的情況。最后，使用電容作為傳感機(jī)制使傳感器更適合需要無(wú)線應(yīng)變傳感器測(cè)量的應(yīng)用。在智能下降和著陸（EDL）運(yùn)行期間，這對(duì)SHM 非常有利。

引入軟結(jié)構(gòu)材料 SHM 所需的靈活性，可以通過(guò)利用打印和柔性電子產(chǎn)品增材制造的最新進(jìn)展來(lái)實(shí)現(xiàn)。諸如氣溶膠噴射打印 (AJP) 等增材制造技術(shù)是相對(duì)簡(jiǎn)單和低成本的制造工藝，可用于制造柔性 CSG，其中用于柔性應(yīng)用的典型基材包括聚酰亞胺（polyimide）、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate）和聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane）。

打印電子技術(shù)涉及使用納米顆粒懸浮液或油墨形式的功能材料，然后將其沉積到易變聚合物背襯上。沉積后，除去溶劑和分散/封端劑以產(chǎn)生功能裝置，然后將其連接到使用者的衣服或皮膚上。這種橫切技術(shù)展示了軟結(jié)構(gòu)材料 SHM 的巨大潛力，因?yàn)檫@些設(shè)備的功能取決于它們的高靈活性、長(zhǎng)耐久性、快速響應(yīng)、快速恢復(fù)時(shí)間和高應(yīng)變敏感性。

氣溶膠噴射（Aerosol Jet Printing）3D 打印技術(shù)是一種非接觸式沉積，基于油墨的霧化形成沉積在基材上的細(xì)霧或氣溶膠。AJP 工藝消除了與傳統(tǒng)制造方法相關(guān)的許多限制，它引入了使用各種材料（如金屬納米顆粒、碳納米材料、功能陶瓷、半導(dǎo)體、生物分子和其他功能材料）打印的能力，因?yàn)槟姆秶梢詮?1 - 2500 cP。

此外，設(shè)備設(shè)計(jì)不再受材料或幾何形狀的限制，因?yàn)?AJP 引入了在各種基板/表面上打印的能力，并提供了從 10 μm 到 5mm 的各種特征尺寸。憑借實(shí)現(xiàn)更高打印分辨率的能力，AJP 有可能通過(guò)最大化結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)空間來(lái)提高設(shè)備靈敏度，并為傳感器制造提供低成本選擇。

結(jié)果打印CSG設(shè)計(jì)

軍用級(jí) Kevlar 織帶用于建造充氣棲息地和降落傘，測(cè)量這些結(jié)構(gòu)承受的應(yīng)變能力對(duì)NASA 來(lái)說(shuō)是一個(gè)挑戰(zhàn)。為了制作電容式應(yīng)變計(jì)，采用了叉指結(jié)構(gòu)，其工作方式與串聯(lián)多個(gè)平行板電容器類似。設(shè)備布局的示意圖如圖 1a 所示，實(shí)際打印傳感器的光學(xué)圖像如圖 1b所示。電容是一種交叉結(jié)構(gòu)的結(jié)果，跨越 3.6 cm 和 1.6 cm，有 50 個(gè)數(shù)字對(duì)或 100 個(gè)總電極。選擇這些特定的設(shè)計(jì)參數(shù)是為了最大化理論電容和傳感面積。

此外，尺寸限制與氣溶膠噴射打印技術(shù)和 2.54 cm 寬的 Kevlar 織帶的性能有關(guān)。使用銀環(huán)氧樹(shù)脂將銅線引線連接到設(shè)備上，并使用介電常數(shù)為 5.70 的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）作為保護(hù)層和電極之間的電介質(zhì)，以提高設(shè)備電容，而不是在空氣具有相同功能的情況下。最后，選擇 Kapton（FPC 5 mil，125 μm）作為柔性基板，因?yàn)楫?dāng)承受最大負(fù)載能力時(shí)，它能夠承受遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于

Kevlar 帶最大伸長(zhǎng)率的伸長(zhǎng)率。CSG 使用通用駁船水泥（APBC）連接到 Kevlar 帶上。

圖文導(dǎo)讀

圖1. 打印柔性叉指電極電容式應(yīng)變計(jì)的設(shè)計(jì)。a 具有包含 50 個(gè)數(shù)字對(duì)的叉指電極結(jié)構(gòu)的傳感器配置示意圖，b 連接到 Kevlar 帶的 Kapton 基板上的電容應(yīng)變計(jì)的光學(xué)圖像（比例尺代表 1 cm）。

圖2. 描繪氣溶膠噴射打印沉積的銀線形態(tài)的顯微照片。a 和 b 聚酰亞胺基板上銀應(yīng)變計(jì)的光學(xué)顯微鏡圖像（比例尺代表 250 μm），以及 AJP 在聚酰亞胺上沉積銀電極的 c 光學(xué)輪廓圖。橫截面掃描電子顯微鏡表征顯示 d 銀電極代表 AJP 沉積應(yīng)變計(jì)（比例尺代表 50 μm），e PMMA 電介質(zhì)厚度（比例尺代表 10 μm）和 f 打印銀厚度（比例尺代表 2.5 μm）。

圖3. 打印 CSG 叉指電極結(jié)構(gòu)的器件設(shè)計(jì)參數(shù)。a 詳細(xì)說(shuō)明用于計(jì)算理論電容的變量的示意圖，以及與這些變量相關(guān)的 b 值，其中尺寸值報(bào)告為具有代表整個(gè)設(shè)備的測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差的平均值。

圖4. 基于打印電容的應(yīng)變計(jì)動(dòng)態(tài)、靜態(tài)和循環(huán)拉伸測(cè)試結(jié)果。打印 CSG 的電容相對(duì)變化（%），其中總共有七個(gè)不同的裝置（表1）用于動(dòng)態(tài)（裝置 a-e）、靜態(tài)（裝置 a-e）或循環(huán)（裝置 f、g）測(cè)試。對(duì)于電極 a 垂直于應(yīng)變方向（裝置 a-c）且電極 b 平行于應(yīng)變方向（裝置 d-e）的裝置，在 18.7 kN 的目標(biāo)載荷下進(jìn)行動(dòng)態(tài)試驗(yàn)的結(jié)果。對(duì)于電極 c 垂直于應(yīng)變方向（裝置 a-c）和 d 平行于應(yīng)變方向（裝置 d-e）的相同裝置，在 18.7 kN 下進(jìn)行的靜態(tài)試驗(yàn)的結(jié)果，以及電極垂直于應(yīng)變方向的兩個(gè)不同裝置（f、g）的循環(huán)試驗(yàn)的結(jié)果。誤差條是估計(jì)的實(shí)驗(yàn)不確定度（補(bǔ)充討論）。在所有圖像中，比例尺代表 1.0 cm。

圖5. 商用電阻應(yīng)變計(jì)的應(yīng)變響應(yīng)。在以 44.5 N/s的斜率進(jìn)行動(dòng)態(tài)試驗(yàn)期間，商業(yè) RSG的應(yīng)變響應(yīng)（其電極平行于應(yīng)變方向布置），在 18.7 kN的載荷下進(jìn)行b靜態(tài)試驗(yàn)，在5.3 kN和10.7 kN的載荷下進(jìn)行c循環(huán)試驗(yàn)。誤差條是估計(jì)的實(shí)驗(yàn)不確定度（補(bǔ)充討論）。比例尺代表4.0毫米。

討論通過(guò)氣溶膠噴射（Aerosol Jet）打印技術(shù)，以銀為電容材料，PMMA為電介質(zhì)，制作了電容式應(yīng)變計(jì)。打印 CSG 的起始電容值在 42pF 到 15nF 之間。采用柔性基材 Kapton，為這些裝置提供所需的柔性，以承受高負(fù)載/應(yīng)變，通用駁船水泥用作 Kapton 和 Kevlar 帶之間的粘合劑。對(duì)電極沿垂直方向或平行于應(yīng)變方向的布置進(jìn)行動(dòng)態(tài)和靜態(tài)測(cè)試，并使用垂直布置進(jìn)行循環(huán)測(cè)試。

此外，在相同條件下，利用相同的連接策略對(duì) RSG 進(jìn)行測(cè)試，以比較其對(duì)打印 CSG 的響應(yīng)，并評(píng)估其對(duì)軟結(jié)構(gòu)材料 SHM 的適用性。啟動(dòng)電容在 nF 范圍內(nèi)的器件顯示出最高的靈敏度，對(duì)于電極垂直于應(yīng)變方向布置的器件，獲得了 5.2 的應(yīng)變系數(shù)。最后，與商用 HE-RSG 相比，打印 CSG 在靜態(tài)、動(dòng)態(tài)和循環(huán)事件中表現(xiàn)更好，因此被確定為更適合高伸長(zhǎng)率應(yīng)用的候選材料。


方法

器件制造

叉指式 CSG 裝置的布局如圖 1a 所示。器件制造始于將 SicrysTM 160PM-116（PV Nanocell）沉積到 125 μm 厚的 DuPont Kapton（FPC）上。打印是通過(guò)配備 200μm 噴嘴的Optomec 的 Aerosol Jet 200 的氣動(dòng)霧化器（PA）實(shí)現(xiàn)的。打印時(shí)，將油墨保持在 23°C 以穩(wěn)定油墨，并將打印薄膜在 300°C下加熱 30 分鐘以去除任何殘留溶劑。

對(duì)工具壓板溫度、噴嘴直徑、氣動(dòng)霧化器、氣動(dòng)排氣和護(hù)套氣流進(jìn)行了優(yōu)化，以確保功能材料的線寬和材料沉積足以獲得導(dǎo)電痕跡。使用銀環(huán)氧樹(shù)脂（Epotek，H20E）將 30 號(hào)銅線粘附到打印接觸墊上，并在設(shè)備表面滴涂一層 950 PMMA A11（Kayaku Advanced Materials，Inc.）作為電介質(zhì)。打印的 CSG 和市面上采購(gòu)的 HE-RSG（HBM，Inc.）裝置均與 Kevlar 帶相連，Kevlar帶的最大承載能力約為 27 kN（6 klbf），帶有通用駁船水泥。

原論文鏈接：

npj Flexible Electronics (2020) 4:32 ;

https://doi.org/10.1038/s41528-020-00095-4

文章轉(zhuǎn)載自：云尚智造