技術(shù)文章
Technical articles隨著柔性電子領(lǐng)域的快速發(fā)展和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及,能夠用來(lái)監(jiān)測(cè)人類生理指標(biāo)(如心跳、脈搏、運(yùn)動(dòng)周期、血壓等)和機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)(如主軸跳動(dòng)、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)感知等)信號(hào)的可穿戴電子器件逐漸應(yīng)用到社會(huì)生活中。
可穿戴電子器件的共形設(shè)計(jì)和制造使其在電子皮膚、柔性傳感和人工智能中具有潛在的應(yīng)用前景。當(dāng)前,大多數(shù)電子器件是利用光刻、壓印技術(shù)和電子束在硅表面進(jìn)行制備。然而由于缺乏彎曲表面的加工工藝,要制備與復(fù)雜曲線表面(例如人體關(guān)節(jié))共形的電子器件尤為困難。
面投影微立體光刻3D打印技術(shù)(PμSL)可快速制造并成型任意形狀和可設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu),為三維共形柔性電子器件的制造提供了靈活性和簡(jiǎn)便性。然而,考慮到柔性材料的成型工藝與功能特性,傳統(tǒng)的制造工藝限制了功能材料的設(shè)計(jì)范圍,降低了微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與成型尺度,制約了功能器件的成型和性能提升的范圍。
圖1 論文工作的摘要圖
近日,西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院陳小明、李寶童、邵金友教授等研究人員,從功能壓電納米復(fù)合材料的改性與壓電器件的微結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化等兩方面出發(fā),利用面投影微立體光刻3D打印技術(shù)(nanoArch S140,10μm精度,深圳摩方),通過(guò)設(shè)計(jì)并調(diào)節(jié)壓電氮化硼納米管材料(BNNTs)和光敏聚合物樹(shù)脂的界面相容性,結(jié)合拓?fù)鋬?yōu)化微結(jié)構(gòu)方法,實(shí)現(xiàn)了具有高靈敏度、寬響應(yīng),且結(jié)構(gòu)可覆形的柔性壓電傳感器制造。
該研究以“3D printed piezoelectric BNNTs nanocomposites with tunable interface and microarchitectures for self-powered conformal sensors"為題發(fā)表在國(guó)際高水平期刊《Nano Energy》上,為高性能可穿戴柔性壓電傳感器件的設(shè)計(jì)與制造提供了新思路。
工作要點(diǎn)一:功能納米復(fù)合材料(BNNTs)的表面改性與材料制備,超低負(fù)載量(0.2wt%)的納米復(fù)合材料表現(xiàn)出出色的壓電性能:
圖2 功能納米復(fù)合材料(BNNTs)的設(shè)計(jì)、改性與表征:
a)BNNTs表面功能化工藝;(b)原始BNNTs/功能化BNNTs和樹(shù)脂基體界面力學(xué)行為示意圖;(c)極化與未極化BNNTs等壓電輸出信號(hào)
為了提高壓電納米填料在有機(jī)聚合物溶液中的相容性和分散性,以及納米復(fù)合材料的壓電性能,通過(guò)用硝酸處理來(lái)實(shí)現(xiàn)納米管表面的氧化和羥基形成,在超聲處理下,官能化分子(TMSPM)與BNNT-OH表面的官能團(tuán)嫁接,生成化學(xué)官能化的納米管(F-BNNTs)。同時(shí),納米管上的丙烯酸酯基團(tuán)顯著提高了BNNTs在聚合物基體溶液中的分散性及壓電輸出;實(shí)驗(yàn)表明:相對(duì)于原始BNNTs,基于F-BNNTs的復(fù)合壓電聚合物的壓電輸出提高了140% (見(jiàn)圖2)。
工作要點(diǎn)二:結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化顯著提高了復(fù)合材料的壓電性能,微結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合膜在較寬的響應(yīng)區(qū)域上展現(xiàn)出高靈敏度;
課題組研究人員的前期研究工作表明,微結(jié)構(gòu)化能顯著提升壓電器件的輸出信號(hào)(Small 13 (23), 1604245;Nano Energy 60, 701等)。因此為了實(shí)現(xiàn)器件電信號(hào)輸出的最.大化,本文采用結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的方法優(yōu)化壓電膜的微觀結(jié)構(gòu),并利用高精度面投影微立體光刻3D打印的微尺度加工能力,實(shí)現(xiàn)拓?fù)湮⒔Y(jié)構(gòu)的制造。數(shù)值模擬結(jié)果表明,微結(jié)構(gòu)的引入能顯著提高壓電輸出,并且具有優(yōu)化微結(jié)構(gòu)(struct B-P 和struct C-P)的壓電薄膜能進(jìn)一步提高信號(hào)輸出(見(jiàn)圖3)。
圖3 平面和微圖案化壓電薄膜的設(shè)計(jì)和仿真結(jié)果
通過(guò)微結(jié)構(gòu)3D打印拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及壓電信號(hào)測(cè)試,表明F-BNNTs /樹(shù)脂復(fù)合膜的最大輸出電壓記錄為4.7 V,與原始的平面F-BNNTs壓電膜相比,輸出提高了4.3倍,比未官能化的BNNTs基復(fù)合膜高出10倍。這種顯著增強(qiáng)主要?dú)w因于聚合物和壓電填料之間有效應(yīng)力傳遞,以及復(fù)合膜的拓?fù)湮?/span>結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
圖4 (a-f)不同微結(jié)構(gòu)壓電薄膜;(g)薄膜壓電輸出;(h)壓電微結(jié)構(gòu)薄膜的壓電輸出實(shí)驗(yàn)與仿真對(duì)比
工作要點(diǎn)三:基于PμSL技術(shù)實(shí)現(xiàn)共形壓電器件制造與應(yīng)用;
與傳統(tǒng)的微加工方法相比,面投影微立體光刻3D打印技術(shù)在設(shè)計(jì)和制造具有復(fù)雜幾何形狀的共形電子器件上具有更大的靈活性,如圖5所示,曲面形狀和微結(jié)構(gòu)的制造證實(shí)了功能材料在復(fù)雜表面上的非平面制造能力。
圖4 (a)面曝光3D打印原理;(b)微結(jié)構(gòu)化的共形薄膜示意圖
可打印壓電材料被用于構(gòu)造機(jī)器人手的智能觸覺(jué)應(yīng)變傳感器。為了確保壓電器件在彎曲或不平坦表面上的功能性,根據(jù)機(jī)械手的表面設(shè)計(jì)了合適的3D模型,然后將共形器件打印并安裝到機(jī)械手不同的指骨上,通過(guò)建立應(yīng)變感應(yīng)電壓與特定手部姿勢(shì)的映射關(guān)系,手指上的應(yīng)變傳感器陣列可為機(jī)械手提供觸覺(jué)感測(cè)的能力。
圖5(a–d)機(jī)械手上的共形應(yīng)變傳感器可轉(zhuǎn)換不同的姿勢(shì),例如松弛(a),抓取(b),吊勾(c)和托平(d);(e)從托舉球到抓緊球的姿勢(shì)以及相應(yīng)的電壓響應(yīng)(f)。
如圖5所示,手指上的應(yīng)變傳感器陣列可以使用14個(gè)壓電應(yīng)變傳感器直接轉(zhuǎn)換手的姿勢(shì),當(dāng)用手握住不同結(jié)構(gòu)的物體時(shí),應(yīng)變傳感器會(huì)記錄彎曲手指的不同輸出信號(hào)。從預(yù)定義的傳感器中獲得的針對(duì)這種姿勢(shì)的力的大小及其空間分布。3D打印的共形柔性壓電傳感器件可用于捕獲接觸區(qū)域上的力分布并監(jiān)視機(jī)械手的不同運(yùn)動(dòng),使其更能像人手一樣具備相關(guān)功能,在人機(jī)交互中應(yīng)用。
本研究提出了一種面投影微立體光刻3D打印功能化納米復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)功能器件制造的方法,并通過(guò)材料改性與微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩方面協(xié)同提升信號(hào)輸出。研究結(jié)果表明:在光固化聚合物樹(shù)脂中摻雜低負(fù)載量(0.2 wt%)的功能化氮化硼納米管,并進(jìn)行微結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化,可實(shí)現(xiàn)高性能壓電器件的制造。該方法制備的傳感器在智能機(jī)器人、仿生電子皮膚、曲面結(jié)構(gòu)件健康檢測(cè)與人機(jī)接口等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。
論文鏈接:
https://www.sciencedirect。。com/science/article/abs/pii/S2211285520308776