Advanced Materials:3D打印制备柔性应变传感器研究进展

柔性应变传感器因其质量轻便、寿命持久、响应迅速而广受关注,尤其在医疗监测,人机交互等领域展示出潜在的应用价值。目前,大量研究均致力于优化原料配方和器件结构以进一步提升应变传感器的主要性能。其中,相关制备方法主要包括原子沉积、光刻、平面印刷、溅射以及浇注等。然而,采用传统制备方法会导致器件的原料利用率低,加工耗时等。相比之下,得益于原料选择多样性、结构精确设计以及制备工艺简便,3D打印技术已被广泛用于柔性应变传感器的构造。

图1 从原料选择、器件加工、信号处理三方面综述了采用不同打印技术制备柔性应变传感器的研究进展。

近期,西北工业大学和南京工业大学黄维院士、朱纪欣教授、李瑞梓博士(共同通讯作者)等合作综述了近五年来3D打印制备柔性应变传感器的研究进展(图1)。该工作归纳了3D打印应变传感器的工作原理,分析讨论了基于已报道的打印方法的相关研究进展,并对现有报道和未来研究进行总结展望。相关成果以“3D Printed Flexible Strain Sensors: from Printing to Devices and Signals”为题发表在Adv. Mater.期刊(DOI:10.1002/adma.202004782)上。

基于平板电容器的结构,3D打印电容式应变传感器可通过改变极板间距或面积以实现迅速响应,但输出阻抗通常较高。电阻式传感器基于在应变下的器件内部微观导电结构发生可逆转化以实现高精度响应,但易出现非线性响应现象。另外,应变传感器生成的电信号需经历转换、放大、筛选和计算等步骤方可进行下一步采集分析。数字光处理(DLP)技术可实现压力与应变双功能电容式传感器的构造,但是极板与电介质层以物理粘贴方式结合可能会导致信号漂移,但以化学键合法实现层间结合可解决该问题,并且通过对各层结构进行精确打印可调控器件性能。熔融沉积(FDM)技术可打印热塑性聚合物作为基底,如聚乳酸,聚氨酯等。导电填料的选择范围相对更多,若对填料进行化学改性可有效改善其与聚合物基体的相容性。另外,采用双喷头打印法可有效提升加工效率。当器件结构较为复杂时,可先打印支架材料,待其他材料成型后溶解支架即可得到相应器件。浆料直写(DIW)打印技术可对一些液态复合材料前驱体进行打印加工,为解决打印过程中喷头堵塞问题,可尝试将墨水加工为较低粘度的气溶胶。金属基导电材料密度大,成本高,这不仅会降低集成电子系统的有效载荷,并且会限制器件的大规模实际生产。相比之下,开发低密度碳基材料尤为重要,在此基础上将自修复功能引入应变传感器可提升器件的使用寿命。另外,采用同轴挤出打印法制备“核-壳”结构的导电纤维可得到导电织物以实现器件穿戴舒适性。碳系填料密度相对较低,若想通过提高导电性以改善器件性能则需填料的大量添加。鉴于此,开发利用高电导率填料如MXenes或本征导电聚合物基复合材料可减少对原料的需求。

文章围绕器件的原料选择、结构设计与信号处理,分别讨论了基于DLP、FDM和DIW方法制备柔性应变传感器的研究进展。作者认为,DLP技术虽可提供高精度的设计,但可能仅局限于光敏材料的加工;FDM和DIW技术可赋予原料的选择多样性,其加工精度可进一步改善。未来研究可着重于开发成本低廉、质量轻便的生态友好型材料;进一步完善3D打印技术以及更加深入分析器件的响应机理,同时将各类传感与其他功能整合,实现不同应用场景下的全方位信号稳定传输。

通讯作者简介

黄维,中国科学院院士、俄罗斯科学院外籍院士、亚太材料科学院院士、东盟工程与技术科学院外籍院士、巴基斯坦科学院外籍院士。中国有机电子学科、塑料电子学科和柔性电子学科的奠基人与开拓者,被业界誉为“柔性电子学之父”。国家重要高层次人才计划特聘教授,国家“杰出青年科学基金”获得者,国家杰出人才计划特聘专家,“973”项目首席科学家,亚太工程组织联合会主席。曾两次获得国家自然科学奖二等奖、三次获得高等学校科学研究优秀成果奖(科学技术)自然科学奖一等奖、多次获得江苏省科学技术奖一等奖、何梁何利基金“科学与技术进步奖”,中国电子学会自然科学奖一等奖等,成果入围中国“高等学校十大科技进展”。在世界顶尖期刊Nature、Nature Electronics、 Nature Energy、Nature Materials、Nature Nanotechnology、Nature Photonics、Nature Communications、Research等上发表论文860余篇,H因子为141,国际同行引用逾90000次,是科瑞唯安材料科学与化学领域全球高被引学者,获授权美国、新加坡和中国等国发明专利360余项,出版了《有机电子学》《生物光电子学》《有机薄膜晶体管材料器件和应用》《有机光电子材料在生物医学中的应用》《OLED显示技术》等学术专著。

朱纪欣 教授,博士生导师,主要从事新材料设计与能源存储、柔性电子材料与器件等研究工作。2012年获得新加坡南洋理工大学博士学位。2012-2015年分别于美国莱斯大学、德国慕尼黑工业大学创新中心和德国马普学会胶体与界面所从事研究工作,2016年加入到南京工业大学先进材料研究院。目前,在J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Nano Lett., Angew. Chem. Int. Ed.等国际期刊发表SCI论文超过150余篇,被引用9800余次,H因子55,申获发明专利10余件,科睿唯安“全球高被引作者”。该研究获国家自然科学基金项目、国家海外高层次青年人才引进计划、江苏省杰出青年基金等资助。

李瑞梓,于西北工业大学柔性电子研究院从事科研工作。主要研究方向为碳基新材料设计与能源存储、钙钛矿发光材料与X射线探测器件等。在Research, Adv. Mater., Chem. Eng. J.等国际期刊发表论文十余篇,授权国内外发明专利20余项。