【背景介紹】
1引言
目前，許多智慧檢測裝置已經配備了豐富的感測器，將其實際應用擴充套件到了各個領域，包括工業生產，海洋勘探，環境保護，醫學診斷，生物工程，宇宙探索，智慧家居。3D列印的基於聚合物的柔性應變感測器在材料製備和裝置設計方面的發展尚未深入討論。為此，如圖1所示，目前的工作提供了3D列印應變感測器的最新進展，該進展分為以下三個部分。
圖1. 3D列印的柔性應變感測器的示意圖。下文重點介紹了基於數字光處理，熔融沉積建模和直接墨水書寫的感測器的訊號處理，墨水設計和裝置列印。
【科研摘要】
柔性電子技術的革命性和開創性進步為發展可穿戴裝置和電子面板的領先趨勢之一提供了無限的潛力。作為收集外部機械訊號的重要中間體，受到廣泛關注的柔性應變感測器被視為柔性整合電子系統中必不可少的元件。與傳統的製備方法（包括複雜的光刻和轉移印刷）相比，由於3D列印技術的處理成本低，製造精度高且生產效率令人滿意，因此可用於製造各種柔性應變感測器。最近，南京工業大學朱紀欣與西北工業大學Ruizi Li和黃維院士合作在《Advanced Materials》上發表題為3D Printed Flexible Strain Sensors: From Printing to Devices and Signals綜述。該文介紹了透過3D打印製造的最新柔性應變感測器，重點介紹了基於光固化和材料擠出的不同列印方法，包括數字光處理（DLP），熔融沉積建模（FDM）和直接墨水書寫（DIW）。還討論了3D列印應變感測器的感測機制。
【圖文解析】
3 3D列印應變感測器的進展
3D列印的基本過程基於數字層堆疊，然後進行物理或化學沉積材料。
3.1基於DLP的3D列印應變感測器
透過DLP已使用感光性樹脂（包括丙烯酸，聚酯和PUA所包含的複合前體）透過DLP印刷了一些電容應變感測器，而丙烯酸基複合材料表現出脆弱的機械強度和緩慢的擴散溶脹速率。有鑑於此，Yin及其同事根據PAAm的極佳吸水率和擴散溶脹率以及PEGDA的韌性，透過DLP印刷引入了一種透過DLP印刷使丙烯醯胺單體與PEGDA共聚的簡便方法，如圖3a所示。依賴電容的變化和靈敏度分別在圖3b，c中進行了說明。在40 s的執行間隔內，結構化感測器-2的電容變化相對於結構化感測器1和平面感測器的電容變化相對明顯。結構化感測器-2的響應時間高達0.2 s的載入壓力和0.5 s的解除安裝時間，同時，所有印刷感測器在5 s的相同壓力下均具有不變的電容，從而證明了裝置的執行穩定性。具體來說，這些感測器表現出線性響應。由於印刷了微結構，結構化感測器-2的電容變化率高於結構化感測器-1和平面感測器，表明靈敏度相對較高。微觀結構中印製的空氣溝槽提高了靈敏度，如圖3d所示。透過在0.93 GF的襯裡響應和不同應變或迴圈下的拉伸釋放穩定性，研究了寬溝槽結構sensor-2感測器的應變感測效能，如圖3e所示。經過1000和4000次迴圈後可以觀察到5％和8.9％的訊號吃水，但仍滿足感測穩定性的需求。
圖3 DLP印刷應變感測器的感測效能。
如圖4a所示，首先將WPUA油墨固化，以獲得應變感測器的覆蓋層。在固化一定數量的切片後，將墨水盒替換為PAAm-PEGDA前驅體。相似的極性以及WPUA和PAAm-PEGDA的丙烯酸基團都引發了兩種油墨之間的自由基聚合，因此電極層和電介質是化學連線的，而不是VHB膠帶的物理結合。圖4b中所示的一步式印刷感測器由多層水凝膠和彈性體制成，同時可用於檢測電子面板領域中的應力，並且可以在6000個週期內消除電容變化的訊號漂移 在拉力或壓縮狀態下，經過1萬次迴圈後，感測器顯示穩定的訊號輸出（訊號漂移小於5％），表明應用可能具有較長的使用壽命。
圖4 a，b）基於PAAm–PEGDA的感測器的DLP列印示意圖
3.2基於FDM的3D列印應變感測器
為了充分利用當前的3D列印技術，降低3D列印感測器的處理成本和擴大原材料選擇範圍至關重要，這與光固化DLP工藝相比為擠出印刷的應用鋪平了道路。基於材料擠出的應變感測器印刷技術已被開發為FDM。Yao及其同事用環氧樹脂塗覆了不同數量（3000、6000、12 000）的連續碳纖維。將獲得的複合材料以2N的拉力以可變的填充密度放置在印刷的PLA基板表面上，透過沉積PLA封裝纖維來製造印刷的應變感測器，如圖5a所示。
圖5 a）連續碳纖維嵌入式應變感測器的印刷。b）基於雙噴嘴的FDM技術的示意圖。
3.3基於直接墨水書寫的3D列印應變感測器
作為一種常用的材料擠出印刷方法，DIW印刷技術可以作為解決上述FDM侷限性的替代方法。
3.3.1用於印刷應變感測器的金屬基可印刷油墨
由於粘度可控性和室溫固化便利性，基於PDMS的化合物已顯示出能夠透過3D列印進行加工的優勢。已經透過DIW印刷將奈米銀材料與柔性聚合物基板（如PDMS）結合起來，用於應變感測器的構造。從圖6a中，Lee和他的同事首先沿著相同的方向列印了PDMS線，然後將列印的圖案加熱了很短的時間，然後才打印了沿垂直方向的新線。80°C的軟烘烤可以部分固化PDMS，防止低粘度PDMS液體以圓柱狀沉積後塌陷，確保基質結構的完整性和聚合物基材的機械強度。如圖6b所示，印刷的PDMS網眼的疏水錶面被γ-氨丙基三乙氧基矽烷改性，從而可以在基材表面上進行多巴胺的原位聚合和自粘功能化。
圖6 a）印刷的PDMS網格的示意圖。
3.3.2用於列印應變感測器的碳基可印刷油墨
含金屬的材料具有出色的導電性和導熱性。Wu和同事報告了水驅動的自修復殼聚糖和MWCNT複合材料用於應變感測。如圖7a，b所示，導電MWCNT和殼聚糖基質分散在檸檬酸，乳酸和乙酸水溶液的混合物中，並且MWCNT的30％負載已達到導電滲透閾值。可以將複合材料印刷為多層支架，蜘蛛形和海星形物體，同時將可自愈的捲曲微纖維沉積在PDMS上，仍然需要加熱以去除溶劑，如圖7c-e所示。所製備的應變感測器在0–10％應變下的GF計算為4，這是標準康斯坦坦應變儀的兩倍，記錄的訊號在10％應變下的表現證明了印刷感測器的耐用性。圖7f給出了複合材料的自我修復機制。
圖7 a）殼聚糖和MWCNT複合材料的製備。
類似於PDMS的疏水性，已選擇了幾種天然聚合物作為護套材料，以保證感測器的防水性和機械強度。作為概念的證明（如圖8a所示），Zhang和他的同事們在甲酸-CaCl2溶液的幫助下製備了SF護套油墨，與費力的CaCl2-乙醇溶解和滲析過程相比，它保留了大部分的β摺疊。H2O或LiBr–H2O系統。將MWCNT分散在SDS和PVA的水溶液中以獲得粘性芯墨。將圖8b所示的印刷網格線圖案應用於收穫生物機械能，並且輸出電壓在15000個迴圈內顯示出穩定的趨勢，這是基於圖8c所示的接觸帶電和靜電感應的耦合效應。
圖8 a）導電紡織品的同軸印刷。b）帶有網格線圖案的印花紡織品的示意圖。c）印花紡織品基於耦合效應的感測機制。
3.3.3 MXenes和基於導電聚合物的可印刷油墨，用於印刷應變感測器
儘管碳基導電填料比金屬具有更低的密度和更大的比表面積，但仍需要增加填料含量以增強感測器的導電性，這會加劇複合材料的韌性，從而影響感測器的檢測範圍和穩定性。Cao及其同事透過將改性纖維素奈米纖維與Ti3C2Tx MXenes混合來製備油墨。如圖9a所示，由於纖維素的不溶性，可以透過在乙醇中沉積來固化印刷的長絲，並且奈米纖維透過與MXene的氫鍵鍵合固定，在MXene負載量為10％時，拉伸強度為112.1 MPa。
圖9 a）MXene增強纖維素絲的印刷示意圖。b）製備PEDOT：PSS溶液，印刷具有TEM形態的油墨和產品。
參考文獻：doi.org/10.1002/adma.202004782