基于镓基液态金属的柔性压力传感器3D打印制备与性能研究

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电子器件的柔性化成为了未来电子器件的发展方向。柔性力敏传感器是柔性电子器件中典型的一种,其在人体运动检测等方面有着广泛的应用。然而,囿于材料与生产工艺的限制,柔性力敏传感器的电路与功能区域在柔性化过程中存在设计困难、工艺复杂、成本较高等问题。本文研究了柔性力敏器件中柔性导线及功能材料的制备工艺,并结合两者采用3D打印对力敏器件进行快速一体化制造,测试验证了其性能。主要工作包括:在柔性导线方面,本文通过气氛保护熔炼法制备了镓铟锡合金(GaInSn),对其熔点、电导率、密度和基体粘附性进行了测试,并以其为导体结合3D打印柔性微流道制备了柔性导线,研究了不同尺寸柔性导线在变形与受力下的电阻稳定性与导线的耐疲劳性,最后通过3D打印制作模拟电路,观察柔性导线在变形条件下的工作情况。结果发现:GaInSn合金的熔点为9℃、电导率为0.303×107 S·cm-1、密度为6.124 g·cm-3,可依靠其自身氧化膜黏附于热塑性聚氨酯(TPU)基体上并保持通路。此外,基于GaInSn合金制备的柔性导线可以通过3D打印实现复杂电路的制备,其中以0.5×0.5 mm2尺寸的柔性导线抗受力与变形的能力较好,并在最后验证了由3D打印制作搭载LED的柔性电路可以在实际弯折、扭转、揉捏下稳定工作。在柔性导电3D打印材料方面,以多壁碳纳米管(MWNTs)、中间相碳微球(MCMB)和TPU为原料制备了柔性导电3D打印耗材,研究导电填料的添加量与MCMB尺寸对材料的导电性能、力学性能的影响。结果发现:增加MWNTs与MCMB的添加量可提高材料的电导率、降低拉伸强度和断裂伸长率;改变MWNTs的添加量对材料的导电性和力学性能影响更大;在相同MWNTs添加量下,添加5μm MCMB制备的材料的电导率更高;在低MWNTs添加量下,15μm MCMB对材料力学性能的削弱更大。在材料功能性探究方面,通过给定不同的拉力、压力测试了添加5μm MCMB的柔性导电3D打印材料的I-U特性线,并在动态压力下进行循环疲劳测试。结果发现:材料对拉力和压力都具有敏感性,随拉力增大,材料电阻提高,随压力增大,材料电阻降低,材料对压力更为敏感;在动态循环压力下,材料的电阻变化率可在稳定的范围内进行周期性变化,呈现出良好的受压力电阻敏感效应以及可重复性;适当提高导电填料的含量可以较为明显的提高材料对力的敏感性,结合前面电导率与力学性能分析,选用含9%MWNTs+6%5μm MCMB的柔性导电复合材料用于后续柔性压力传感器的制造。为实现柔性压力传感器的快速一体化制造,以GaInSn合金为柔性导线,以柔性导电3D打印耗材为压力敏感材料,通过3D打印的方式快速一体化设计并制成柔性压力传感器,并对其实际压力感应效果进行探讨。结果发现,3D打印制造的柔性压力传感器对实际压力具有敏感反应并可根据压力大小反馈不同的信号变化,通过连接Arduino单片机后可将感应信号输出至电脑端,并可控制LED亮灭以实现感应信号的可视化。
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