[发明专利]基于拉胀结构的3D打印复合材料柔性应变传感器及其制备方法

权利要求书

1.一种基于拉胀结构的3D打印复合材料柔性应变传感器，其特征在于：包括嵌入于弹性薄膜（2）一侧的传感元件（1），传感元件（1）两端与金属导线连接用于接入测试电路，弹性薄膜（2）的另一侧打印有拉胀结构支架（3）；

所述的弹性薄膜（2）材质为聚二甲基硅氧烷或硅橡胶的弹性材料预聚物与聚四氟乙烯或其他流变剂混合而成的复合材料，流变剂使原本为牛顿流体的预聚物转变为非牛顿流体，具有剪切变稀的属性，使材料能够应用于3D打印工艺；薄膜通过3D打印并热固化而成，具有良好的柔韧性与可拉伸性，满足大拉伸应变传感器需求；

所述的传感元件（1）材质为压阻复合材料，由弹性基体材料与导电填料混合组成；其中弹性基体材料为聚二甲基硅氧烷、硅橡胶的弹性体材料，导电填料为石墨烯、碳纳米管、炭黑或银纳米片的纳米导电填料；

所述的拉胀结构支架（3）为平面支架，形状为内凹六边形或中心旋转矩形单胞组成的单元阵列拉胀结构，具有负泊松比效应，用于抵消柔性应变传感器在纵向拉伸时产生的横向收缩，甚至使其产生横向膨胀；

所述的拉胀结构支架（3）材质为连续纤维增强弹性体复合材料，由弹性基体材料与连续纤维组成；其中弹性基体材料与弹性薄膜（2）材质相同，连续纤维为芳纶纤维、碳纤维或玻璃纤维；

所述的一种基于拉胀结构的3D打印复合材料柔性应变传感器的制备方法，包括以下步骤：

1）根据传感器应用场景设计3D打印复合材料柔性应变传感器的尺寸及形状参数；

2）按照比例通过机械搅拌混合分别制备用于打印传感元件（1）、弹性薄膜（2）与拉胀结构支架（3）的复合材料，选择连续纤维，并通过多材料3D打印设备一体化打印成型得到传感器结构；

3）将所得传感器结构进行高温固化工艺，得到复合材料柔性应变传感器；

所述的步骤1)中采用仿真软件为Abaqus，模拟出最优的传感元件（1）与拉胀结构支架（3）的形状与尺寸参数，以得到最高的传感器灵敏度；

所述的步骤2)中的多材料3D打印工艺为墨水直写（DIW）3D打印工艺；

所述的步骤2)中多材料3D打印成型过程为：首先打印传感元件（1），其次切换材料打印弹性薄膜（2）使传感元件（1）嵌入其中，最后切换材料在弹性薄膜（2）上打印拉胀结构支架（3），每次打印完成后打印底板加热与热风枪加热使复合材料预固化，实现传感器结构一体化成型。

2.根据权利要求1所述的一种基于拉胀结构的3D打印复合材料柔性应变传感器，其特征在于：所述的传感元件（1）的形状为正弦波形、矩形波形、方波形、三角波形、锯齿波形或前述一种以上的组合图形。