[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

说明书

一种基于拉胀结构的3D打印复合材料柔性应变传感器及其制备方法，柔性应变传感器结构包括嵌入于弹性薄膜一侧的传感元件，弹性薄膜的另一侧打印有拉胀结构支架；制备方法现根据应用场景设计传感器各结构尺寸参数，再分别制备各结构所用的复合材料，通过多材料3D打印设备一体化打印成型得到传感器结构，最终高温固化得到柔性应变传感器；本发明使用复合材料增强的拉胀结构支架使柔性应变传感器在纵向拉伸时横向能够产生更强的膨胀效果，从而提升传感器应变灵敏度与可靠性；且通过使用3D打印工艺实现多材料的一体成型，大大简化制造工艺降低制造成本。

技术领域

本发明涉及柔性应变传感器技术领域，特别涉及一种基于拉胀结构的3D打印复合材料柔性应变传感器及其制备方法。

背景技术

柔性应变传感器在可穿戴传感设备、软体机器人、大变形结构形状监测等领域具有广阔的应用前景。传统的传感器材料如金属、半导体等材料，由于其本身的脆性以及低应变范围使其难以应用于柔性应变传感器的制造；而以弹性聚合物为基底的压阻传感复合材料能够克服原有传感器材料的缺点，其在拉伸应变过程中，内部的纳米填料形成的导电网络断裂重组，进而宏观上产生电阻的增大。然而复合材料柔性应变传感器依然面临两个问题。

其一是制造工艺问题，传统机械加工难以应用于弹性聚合物材料，MEMS工艺则又使制造成本变得昂贵，而3D打印工艺由于具有对复杂以及嵌入式结构的成型优势以及低成本特点成为了制造工艺的首选，因此如何实现复合材料柔性应变传感器3D打印制造成为其能否广泛应用的关键。

其二是传感灵敏度问题，尽管已有众多研究对弹性压阻复合材料进行改进优化，但灵敏度的提升依旧有限，然而限制柔性应变传感器灵敏度的另一个重要因素是弹性体材料的高泊松比属性。常见弹性体的泊松比约0.5，传感器薄膜在纵向拉伸作用下会产生非常明显的横向收缩，使得纵向拉伸引起的压阻灵敏度被横向收缩严重削弱，因此消除传感器的横向泊松收缩成为提升柔性应变传感器灵敏度的重点研究方向。拉胀结构是一种负泊松比结构，能够在纵向拉伸的同时产生横向膨胀，若将其与柔性应变传感器结合实现传感器薄膜的双向膨胀，将有效提升其传感灵敏度。

目前已有一些拉胀结构应变传感器的先例，如中国专利(CN201910746851.3，名称：基于拉胀结构的高灵敏度、大拉伸应变传感器及其应用)就依靠拉胀结构实现了对柔性应变传感器灵敏度的提升，但其并未实现一体化3D打印成型从而导致制造工艺复杂。此外，拉胀结构的刚度影响着传感器薄膜的泊松比，对于灵敏度的提升至关重要，已有文献(F.Clemens,et al.,2D Printing of Piezoresistive Auxetic Silicone SensorStructures[J].IEEE Robotics and Automation Letters,vol.6,no.2,Apr.2021.)中在打印拉胀结构的材料中混入二氧化硅粉末以提升结构刚度并使得灵敏度产生较大提升，但二氧化硅的加入增加了材料脆性，多次拉伸后极易出现裂纹，可靠性不足。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种基于拉胀结构的3D打印复合材料柔性应变传感器及其制备方法，通过复合材料增强提升拉胀结构刚度，使柔性应变传感器在纵向拉伸时横向能够产生更强的膨胀效果，从而使得传感元件充分变形产生更大的电阻变化进而提升传感器灵敏度，同时提升传感器的可靠性；且通过使用3D打印工艺实现多材料的一体成型，大大简化制造工艺降低制造成本。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于拉胀结构的3D打印复合材料柔性应变传感器，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。