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AM综述：3D打印柔性应变传感器

柔性电子器件为可穿戴设备和电子皮肤的开发提供了无限的潜力，而柔性应变传感器作为采集外部机械信号的重要媒介，受到了广泛关注，被认为是柔性集成电子系统中不可缺少的组成部分。与复杂的光刻和转印等传统制备方法相比，3D打印技术具有加工成本低，制造精度高，生产效率高的优点。近期，来自西北大学的黄维教授团队在Advanced materials杂志上发表了题为“3D Printed Flexible Strain Sensors: From Printing to Devices and Signals”的综述文章，讨论了3D打印应变传感器的传感机理，重点介绍了几种不同打印方法制造的最新柔性应变传感器。

图13D打印柔性应变传感器原理概述
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目前3D打印柔性应变传感器的制造主要有数字光处理（DLP）、熔融沉积建模（FDM）和墨水直写（DIW）三种方法。表1和表2分别总结了这些方法的原理，特点和一些具有代表性的研究。

表1 不同打印方法的原理和特点


表2 3D打印柔性应变传感器的应用?


1.?DLP打印柔性应变传感器
有研究提出一种简便的方法，利用聚丙烯酰胺的高吸水率，高扩散膨胀率以及PEGDA的韧性，采用DLP打印将丙烯酰胺单体与聚乙二胺共聚（PAAm-PEGDA）后加入MgCl2，用于制造电容式应变传感器。PEGDA链上的硬畴是共聚物网络的主干，而PAAm上的软畴负责在拉伸和压缩应变下耗散能量。两片具有多个平行凹槽的打印共聚物用三片3M超高粘合胶带夹在中间以形成应变传感器。
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图2 DLP打印应变传感器性能
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传统的3D打印电容式应变传感器是通过电极层和电介质间的物理堆叠实现的，由于二者之间的弱相互作用和机械强度不匹配，传感器长期运行后会产生相对位移，从而会观察到明显的信号漂移。为了解决这一问题，有研究提出了两层材料间化学键合的制造方法。基于上述PAAm-PEGDA体系，引入水稀释PUA(WPUA)前驱体作为介质。WPUA墨水首先固化获得传感器覆盖层，之后再换用PAAm-PEGDA墨水，由于WPUA与PAAm-PEGDA的相似极性和丙烯酸基团引发了两种墨水之间的自由基聚合，从而使电极层与电介质以化学方式连接，而不是VHB胶带的物理粘合。

图3 WPUA与PAAm-PEGDA体系制造的传感器
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2. FDM打印柔性应变传感器
有研究用环氧树脂涂覆了不同数量的连续碳纤维，获得的复合材料在2N拉力下以不同的填充密度铺设在PLA打印基板的表面，通过沉积PLA来封装纤维以制造应变传感器。然而碳纤维、环氧树脂和PLA基材之间的相容性有限，三相的界面结合强度减弱，容易导致碳纤维在高应变下从基材上滑落。

图4 碳纤维埋入式应变传感器的打印
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3. DIW打印柔性应变传感器
通过DIW打印将纳米银材料与柔性聚合物基板结合，可以实现应变传感器的构建。有研究先沿着同一方向打印PDMS线条，将打印的图案加热到80℃一小段时间后再沿着垂直方向打印新的线条，以防止低粘度的PDMS液体沉积形成圆筒后坍塌。用γ-氨丙基三乙氧基硅烷修饰PDMS网络的疏水表面，使得表面可以实现多巴胺原位聚合和自粘性官能化。通过添加乙二胺四乙酸(EDTA)和邻苯二酚溶液，将硝酸银还原镀到打印的2D网状PDMS表面，并用VHB胶带封装得到印刷应变传感器。在拉应力作用下银颗粒之间的间距扩大会导致电阻的显著变化，从而实现应变传感。
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图5 打印的PMDS网络示意图

含金属材料具有优异的导电性和导热性，但由于金属材料价格较贵密度较高，使得集成柔性传感器的有效载荷必须降低，这限制了实际生产。有研究报道了基于水驱动自愈性壳聚糖和多壁碳纳米管（MWCNT）复合材料的应变传感器。导电性的MWCNT壳聚糖基质分散在柠檬酸，乳酸和醋酸的混合物中，30%的MWCNT达到导电渗透阈值。复合材料可以打印成多层支架、蜘蛛状和海星状的物体，同时在PMDS上沉积了自愈合的超细纤维。断裂的纤维在水蒸气中膨胀，然后铵离子与柠檬酸根离子在10s内通过静电激活完成修复。也可以根据这一原理开发结合应变和湿度的打印传感器。

图6 基于壳聚糖/MWCNT的应变传感器
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总的来说，基于DLP的3D打印技术具有很高的加工精度，但光敏材料的限制和昂贵的设备限制了其商业应用。基于FDM和DIW构建应变传感器的加工方法由于原材料的多样性和简便的打印工艺得到了广泛应用。与FDM仅适用于热塑性聚合物材料相比，DIW打印的传感器具有相对均匀的沉积表面和层间结合。
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论文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202004782

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