CNT/PDMS柔性传感材料的打印工艺及性能研究

发布时间：2021-08-19 19:48

　　针对复合导电材料CNT/PDMS应用于柔性传感以及复杂结构设计的需求,将直写打印技术与该复合导电材料的成型制备方法结合起来,研究了CNT/PDMS复合材料的打印工艺和电阻传感性能。在试验研究中,首先配置了不同CNT含量的打印墨水,并对打印墨水的流变性及材料导电性进行测试,试验结果表明配置的打印墨水均具有粘弹性以及剪切变稀的性质,其中以CNT质量分数为7%的墨水用于直写打印时兼具导电性好易挤出且成型好的特点。通过单点成线试验,设置3D打印机参数为:扫描速度为10mm/s,挤出气压为0.3MPa。在此基础上,进行简单平面条状、二维网状结构以及立体网格结构的打印,对打印的条状结构进行温度和单轴拉伸试验,在不同的温度和拉伸率下打印件均表现有电阻传感特性;对网格状电路进行柔性电路性能测试,在对其施加6 V左右电压时,无论网格电路处于伸展还是弯曲状态均能表现出良好的导电性能;对打印的立体网格结构进行压力传感试验,结果表明复合材料有良好的压敏特性。性能表征结果证明该打印工艺可行,从而为后续该材料的复杂结构制造以及在柔性传感电子设备中的应用奠定基础。 

【文章来源】：机械工程学报. 2020,56(15)北大核心EICSCD

【文章页数】：7 页

【部分图文】：

不同CNT质量分数的复合材料导电率同时打印墨水的黏度也可以通过对CNT质量分

丝线宽度。由上式可知，打印的单条线宽d与挤出气压Q正相关，而与扫描速度V负相关，故其大小取决于Q与V的耦合作用。2复合材料的可打印性探究2.1CNT/PDMS的导电性和流变性首先对不同CNT含量的复合材料进行导电性和可打印性进行分析，在图3中，测量了CNT质量分数对复合材料导电率的影响，证明了复合材料的导电率可以随CNT质量分数的增加而快速增强。图3不同CNT质量分数的复合材料导电率同时打印墨水的黏度也可以通过对CNT质量分数的控制来实现，如图4中所示不同质量分数CNT打印墨水的流变性能测试，结果表示掺杂了一定比例的CNT的复合墨水的黏度随着剪切速率的增加均有明显降低，具有剪切变稀的特性，可以用于直写打樱图4不同质量分数CNT聚合物流变特性

机械工程学报第56卷第15期期100在试验中发现，用高质量分数CNT(7%)的墨水挤压出的细丝能够保持它们的挤压形状，但当CNT的含量高于7%时，打印墨水的黏度会比较大从而难以从喷头中挤出，用较低质量分数CNT(5%以下)的墨水挤出来的纤维会有外溢现象的发生。综合考虑墨水的导电能力与3D挤出成型能力，本研究中选用了CNT含量为7%的打印墨水。利用断口扫描电镜(SEM)观察了CNT/PDMS复合材料的内部构成。从图5可以看出，CNT在PDMS基体中分布良好，CNT在PDMS基体中形成导电网络。图5复合材料的横截面SEM图像2.2CNT/PDMS丝线打印控制工艺在试验中发现，当扫描速度过低时，会发生丝线堆积或由于喷口处剪切应力分布不均出现线圈状缠绕现象；当扫描速度过高时，丝线表现为断断续续的虚线，只有在扫描速度适中时，才能得到粗细均匀的平直线条。经过多次的试验后发现，扫描速度在8～20mm/s之间时可以得到合适的线条效果。从图6可见，在固定挤出气压下为0.3MPa时，当扫描速度从8mm/s逐渐上升至20mm/s，丝线宽度也从0.78mm下降至0.32mm，可见丝线宽度与扫描速度基本成反相关关系。图6线宽与扫描速度的关系挤出流量对丝线的影响与扫描速度的影响类似，当挤出流量由小变大时，丝线同样会经历断续或者堆积等状态。在固定喷嘴高度，设定扫描速度为10mm/s的基础上，调试不同的挤出气压，观察打印的丝线状态。测量结果如图7所示，试验数据表明当挤出气压从0.25MPa上升至0.4MPa时，打印的线条均为连续直线，基本未出现断续或堆积的丝线，并且线宽与流量基本呈正相关关系。图7线宽与挤出气压的关系在之后的打印中，?

【参考文献】：
期刊论文
[1]离子凝胶材料的三维打印工艺[J]. 罗斌,夏华翅,陈花玲,朱子才,何西铭,李涤尘.  机械工程学报. 2018(17)
[2]光驱动软体结构增材制造工艺研究[J]. 徐雪杰,罗斌,陈花玲.  西安交通大学学报. 2018(08)



本文编号：3352031