本發(fā)明涉及傳感器，尤其涉及一種基于導(dǎo)電油墨的應(yīng)變傳感器制備方法及應(yīng)變傳感器。

背景技術(shù)：

1、應(yīng)變傳感器是用于檢測(cè)材料或結(jié)構(gòu)變形的關(guān)鍵工具，廣泛應(yīng)用于航空航天、土木工程、機(jī)械制造等領(lǐng)域。在這些領(lǐng)域中，結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)和損傷檢測(cè)至關(guān)重要，應(yīng)變傳感器因其能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)微小變形而成為必不可少的設(shè)備。傳統(tǒng)的應(yīng)變傳感器主要采用金屬應(yīng)變片，這些應(yīng)變片通常由高靈敏度的金屬材料制成，如鉑、鎳鉻合金等。金屬應(yīng)變片的基本工作原理是基于金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)：當(dāng)應(yīng)變片受到拉伸或壓縮時(shí)，其電阻會(huì)發(fā)生變化，通過測(cè)量電阻的變化可以推算出應(yīng)變量。

2、金屬應(yīng)變片因其出色的電阻應(yīng)變效應(yīng)、良好的線性度和溫度穩(wěn)定性而被廣泛采用，應(yīng)用場(chǎng)景包括航空航天復(fù)合材料結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)、橋梁應(yīng)力監(jiān)測(cè)、建筑物健康監(jiān)測(cè)以及機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)等。這些應(yīng)變片在應(yīng)變檢測(cè)中表現(xiàn)出良好的長期穩(wěn)定性和重復(fù)性，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作原理明確，能夠在惡劣環(huán)境下保持可靠工作。

3、然而，盡管金屬應(yīng)變片具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但由于材料和設(shè)計(jì)上的限制，金屬應(yīng)變片的響應(yīng)時(shí)間較長，難以滿足快速變化的應(yīng)變監(jiān)測(cè)需求。此外，傳統(tǒng)金屬應(yīng)變片的監(jiān)測(cè)頻帶較窄，無法有效捕捉高頻動(dòng)態(tài)應(yīng)變信號(hào)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的旨在提供一種基于導(dǎo)電油墨的應(yīng)變傳感器制備方法及應(yīng)變傳感器，以提高傳感器對(duì)超高頻率信號(hào)的應(yīng)變監(jiān)測(cè)能力，增加傳感器的靈敏度以及在在復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境中的可靠性和穩(wěn)定性。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的實(shí)施例公開了如下技術(shù)方案：

3、一方面，提供了一種基于導(dǎo)電油墨的應(yīng)變傳感器制備方法，包括以下步驟：

4、將設(shè)計(jì)量份的碳納米管、石墨烯混合、樹脂及溶劑進(jìn)行研磨以獲得均勻分散的導(dǎo)電油墨；

5、將所述導(dǎo)電油墨按預(yù)設(shè)圖案絲網(wǎng)印刷至基底表面，在120℃～130℃的溫度下加熱固化3min～5min，形成導(dǎo)電結(jié)構(gòu)；

6、使用封裝材料對(duì)基底及基底上固化后的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)進(jìn)行封裝處理，即制得所述應(yīng)變傳感器；

7、其中，所述將設(shè)計(jì)量份的碳納米管、石墨烯混合、樹脂及溶劑進(jìn)行研磨以獲得均勻分散的導(dǎo)電油墨按時(shí)間線推移依次包括：初混階段、粗研階段、細(xì)研階段及精研階段。

8、除了上述公開的一個(gè)或多個(gè)特征之外，或者作為替代，所述初混階段包括以下步驟：

9、將碳納米管和石墨烯按設(shè)計(jì)量份與樹脂及溶劑混合；

10、通過磁力攪拌或超聲波振蕩初步分散，確保碳納米管和石墨烯均勻分布在溶劑中；

11、將三輥研磨機(jī)的輥間間距設(shè)定為100～120μm，以確保研磨時(shí)不會(huì)造成材料過度損耗或堵塞。

12、除了上述公開的一個(gè)或多個(gè)特征之外，或者作為替代，所述粗研階段包括以下步驟：

13、啟動(dòng)研磨機(jī)，保持在較低的輥速30～50r/min，開始研磨，在研磨過程中持續(xù)觀察物料狀態(tài)，確保材料均勻分布；

14、將輥間間距逐次縮小至70～80μm，確保每次調(diào)整后材料能夠適應(yīng)新的間距；

15、其中，每次間距的調(diào)整距離為10～20μm，每次間距調(diào)整后的研磨時(shí)間為5～10分鐘。

16、除了上述公開的一個(gè)或多個(gè)特征之外，或者作為替代，所述細(xì)研階段包括以下步驟：

17、在材料初步分散均勻后，將輥間間距逐次縮小至50～60μm，保持輥速在30～50r/min，以防止高剪切力導(dǎo)致碳納米管或石墨烯片層損壞；

18、其中，每次間距的調(diào)整距離為20～30μm，每次間距調(diào)整后的研磨時(shí)間為10～20分鐘，確保材料能夠在適應(yīng)新的間距條件下進(jìn)一步分散。

19、除了上述公開的一個(gè)或多個(gè)特征之外，或者作為替代，所述精研階段包括以下步驟：

20、將輥間間距逐漸縮小至15～20μm，保持輥速的控制20～30r/min，每次間距的調(diào)整距離為20～30μm，以避免過度研磨導(dǎo)致材料性質(zhì)改變；

21、研磨20-30分鐘，確保碳納米管和石墨烯在樹脂及溶劑中均勻分散。

22、除了上述公開的一個(gè)或多個(gè)特征之外，或者作為替代，所述將所述導(dǎo)電油墨按預(yù)設(shè)圖案絲網(wǎng)印刷至基底表面的步驟包括：

23、將絲網(wǎng)印刷模板固定在絲網(wǎng)印刷工作臺(tái)上，并將基底上的電極位置與絲網(wǎng)印刷模板上電極位置保持重合；

24、將導(dǎo)電油墨均勻地涂覆在絲網(wǎng)印刷模板上，使用刮刀刮涂均勻施壓，將油墨通過絲網(wǎng)的網(wǎng)孔印刷到基底。

25、除了上述公開的一個(gè)或多個(gè)特征之外，或者作為替代，所述預(yù)設(shè)圖案為直線、折彎形、s形、迂回型、弓字形中的一種或多種；所述基底為聚酰亞胺、玻璃及陶瓷中的一種或多種。

26、除了上述公開的一個(gè)或多個(gè)特征之外，或者作為替代，所述封裝材料為酰亞胺薄膜、環(huán)氧樹脂及硅膠中的一種或多種。

27、除了上述公開的一個(gè)或多個(gè)特征之外，或者作為替代，以質(zhì)量百分比計(jì)，所述導(dǎo)電油墨的由以下材料組成：

28、

29、除了上述公開的一個(gè)或多個(gè)特征之外，或者作為替代，所述樹脂為飽和聚酯樹脂、丙烯酸樹脂、環(huán)氧樹脂中的一種或多種；所述溶劑為dbe、二乙二醇乙醚、二乙二醇丁醚、二乙二醇乙醚醋酸酯、己二酸二甲酯、己二酸二乙酯及n-甲基吡咯烷酮中的一種或多種。

30、另一方面，進(jìn)一步公開了一種應(yīng)變傳感器，通過如上任一項(xiàng)所述的應(yīng)變傳感器制備方法制備而成，除了上述公開的一個(gè)或多個(gè)特征之外，或者作為替代，所述應(yīng)變傳感器包括：柔性印刷電路基底、油墨傳感層和封裝層，所述柔性印刷電路基底設(shè)有雙面連通的基底電極，所述油墨傳感層通過絲網(wǎng)印刷在柔性印刷電路基底上，所述封裝層覆蓋所述油墨傳感層以對(duì)所述油墨傳感層進(jìn)行封裝。

31、除了上述公開的一個(gè)或多個(gè)特征之外，或者作為替代，所述柔性印刷電路基底的厚度為50μm～250μm；所述基底電極的材料為銀、鋁、銅中的至少一種；所述基底電極的厚度為0.01mm～0.04mm；所述基底電極與絲網(wǎng)印刷模板上的電極位置相對(duì)齊；所述基底電極的一面印刷有導(dǎo)電油墨，另一面焊接有導(dǎo)線，以制備獲得所述傳感器的正負(fù)極。

32、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益技術(shù)效果：在傳感器的制造過程中，精細(xì)的三輥研磨確保了碳納米管和石墨烯在油墨中的均勻分散和合理排列，從而有效控制了隧穿距離，這不僅穩(wěn)定了傳感器的隧穿電阻，還提高了其對(duì)超高頻率信號(hào)的應(yīng)變監(jiān)測(cè)能力，并且在精細(xì)研磨過程中形成的剪切力促使碳納米管和石墨烯構(gòu)建了交織的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這種網(wǎng)絡(luò)類似于骨骼海綿結(jié)構(gòu)，具有高度的孔隙率和復(fù)雜的導(dǎo)電路徑，不僅增加了傳感器的靈敏度，還進(jìn)一步增強(qiáng)了其在復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境中的可靠性和穩(wěn)定性。

技術(shù)特征：

1.一種基于導(dǎo)電油墨的應(yīng)變傳感器制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)變傳感器制備方法，其特征在于，所述初混階段包括以下步驟：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)變傳感器制備方法，其特征在于，所述粗研階段包括以下步驟：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)變傳感器制備方法，其特征在于，所述細(xì)研階段包括以下步驟：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)變傳感器制備方法，其特征在于，所述精研階段包括以下步驟：

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)變傳感器制備方法，其特征在于，所述將所述導(dǎo)電油墨按預(yù)設(shè)圖案絲網(wǎng)印刷至基底表面的步驟包括：

7.根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的應(yīng)變傳感器制備方法，其特征在于，所述預(yù)設(shè)圖案為直線、折彎形、s形、迂回型、弓字形中的一種或多種；所述基底為聚酰亞胺、玻璃及陶瓷中的一種或多種。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)變傳感器制備方法，其特征在于，所述封裝材料為酰亞胺薄膜、環(huán)氧樹脂及硅膠中的一種或多種。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的應(yīng)變傳感器制備方法，其特征在于，以質(zhì)量百分比計(jì)，所述導(dǎo)電油墨的由以下材料組成：

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的應(yīng)變傳感器制備方法，其特征在于，所述樹脂為飽和聚酯樹脂、丙烯酸樹脂、環(huán)氧樹脂中的一種或多種；所述溶劑為dbe、二乙二醇乙醚、二乙二醇丁醚、二乙二醇乙醚醋酸酯、己二酸二甲酯、己二酸二乙酯及n-甲基吡咯烷酮中的一種或多種。

11.一種應(yīng)變傳感器，其特征在于，通過如權(quán)利要求1～10任一項(xiàng)所述的應(yīng)變傳感器制備方法制備而成，所述應(yīng)變傳感器包括：柔性印刷電路基底、油墨傳感層和封裝層，所述柔性印刷電路基底設(shè)有雙面連通的基底電極，所述油墨傳感層通過絲網(wǎng)印刷在柔性印刷電路基底上，所述封裝層覆蓋所述油墨傳感層以對(duì)所述油墨傳感層進(jìn)行封裝。

12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的應(yīng)變傳感器，其特征在于，所述柔性印刷電路基底的厚度為50μm～250μm；所述基底電極的材料為銀、鋁、銅中的至少一種；所述基底電極的厚度為0.01mm～0.04mm；所述基底電極與絲網(wǎng)印刷模板上的電極位置相對(duì)齊；所述基底電極的一面印刷有導(dǎo)電油墨，另一面焊接有導(dǎo)線，以制備獲得所述傳感器的正負(fù)極。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于導(dǎo)電油墨的應(yīng)變傳感器制備方法及應(yīng)變傳感器，包括以下步驟：將設(shè)計(jì)量份的碳納米管、石墨烯混合、樹脂及溶劑進(jìn)行研磨以獲得均勻分散的導(dǎo)電油墨；將所述導(dǎo)電油墨按預(yù)設(shè)圖案絲網(wǎng)印刷至基底表面，在120℃～130℃的溫度下加熱固化3min～5min，形成導(dǎo)電結(jié)構(gòu)；使用封裝材料對(duì)基底及基底上固化后的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)進(jìn)行封裝處理，即制得所述應(yīng)變傳感器；其中，所述將設(shè)計(jì)量份的碳納米管、石墨烯混合、樹脂及溶劑進(jìn)行研磨以獲得均勻分散的導(dǎo)電油墨按時(shí)間線推移依次包括：初混階段、粗研階段、細(xì)研階段及精研階段。根據(jù)本發(fā)明，其提高了傳感器對(duì)超高頻率信號(hào)的應(yīng)變監(jiān)測(cè)能力，增加了傳感器的靈敏度以及在在復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境中的可靠性和穩(wěn)定性。

技術(shù)研發(fā)人員：劉玲,蔣孝偉
受保護(hù)的技術(shù)使用者：同濟(jì)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/10