江南大學(xué)《CST》：用于可穿戴電子設(shè)備的柔性全向應(yīng)變傳感器！
編輯推薦：本文構(gòu)建一種可滿足應(yīng)變測量需求的柔性傳感器：縱向蛇形設(shè)計可用于單向和雙向應(yīng)變，圓形設(shè)計具有全向應(yīng)變傳感功能。通過可印刷技術(shù)制備的多圖案應(yīng)變傳感器可大規(guī)模生產(chǎn)，進(jìn)一步進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)和產(chǎn)品集成。
通過應(yīng)變引起材料長度/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)變設(shè)計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。通過導(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，但目前在實踐中充分跟蹤隨機(jī)應(yīng)變的需求仍沒有得到解決。絲網(wǎng)印刷技術(shù)工藝簡單、材料成本低，具有低溫和圖案化設(shè)計大面積生產(chǎn)的優(yōu)勢。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，通過印刷工藝制備出可跟蹤和監(jiān)測應(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。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)過剝離得到的薄膜在另一側(cè)涂覆PDMS進(jìn)行封裝。通過該制備工藝可以實現(xiàn)適應(yīng)多場景的多圖案柔性傳感器的制備（圖1）。圖1. 制造過程和印刷柔性應(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)量會影響柔性傳感器的傳感性能，作者通過對油墨的粘彈性以及對MWCNTs改性的研究，實現(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；通過雙向應(yīng)變傳感器設(shè)計（圖4a），其可以同時測量X和Y方向的應(yīng)變同時通過比較信號強(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)計可以監(jiān)測到全方向的應(yīng)變，不管所施加的應(yīng)變方向如何，該圓形傳感器均會發(fā)生對稱變形，在工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測中具有廣泛的應(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)變傳感器性能評估圖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說，這項研究采用增材絲網(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，并通過圖案設(shè)計滿足各種應(yīng)變監(jiān)測需求。該印刷傳感器具有良好的靈活性和對3D輪廓表面（如人體）的共形，對應(yīng)變循環(huán)的敏感性和穩(wěn)定性，以及長期使用的可重復(fù)性和再現(xiàn)性。最后，作者演示了一種可簡單快速實現(xiàn)大規(guī)模制造的工藝路線，有利于推動該傳感器實現(xiàn)從實驗室到工廠的流線制造，具有廣泛的應(yīng)用前景。（文：crazy材料）
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