陳小軍，胡翠雯，崔子怡，莫德云，連海山，江樹鎮(zhèn)，弓滿鋒，羅毅輝

(1.嶺南師范學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，湛江 524000；2.廈門大學(xué)航空航天學(xué)院，廈門 361000)

0 引 言

柔性傳感器具有靈敏度高、響應(yīng)快速、延展性好、可彎曲折疊等優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了剛性傳感器在非結(jié)構(gòu)化人-機(jī)-環(huán)境下感知交互的不足，可達(dá)到完全契合實(shí)物表面復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的傳感要求，在電子皮膚[1-2]、可穿戴設(shè)備[3-4]、人機(jī)交互[5-6]、智能康復(fù)醫(yī)療器[7]等領(lǐng)域得到了廣泛關(guān)注。例如:嬰兒可穿戴設(shè)備可對(duì)孩子的健康信息實(shí)時(shí)監(jiān)測，讓育兒更加簡便[8-9]；中老年人借助可穿戴設(shè)備可獲得各項(xiàng)生命體征數(shù)據(jù)，以便對(duì)突發(fā)疾病進(jìn)行有效預(yù)防[10]。可見，柔性傳感器的發(fā)展能夠?yàn)槲磥碇腔坩t(yī)療提供關(guān)鍵的技術(shù)支持，具有重要的研究意義。

傳感器的敏感單元材料是其獲得高靈敏度、快速響應(yīng)等性能的關(guān)鍵因素。柔性壓力傳感器由基底及敏感單元兩部分組成，基底材料決定了延展變形能力，敏感單元材料則決定了壓敏性能。提高傳感器感知信號(hào)檢測的可靠及準(zhǔn)確性，關(guān)鍵在于傳感器敏感單元材料的選擇及制備[11]。柔性壓力傳感器敏感單元材料根據(jù)傳感器類型的不同可劃分為液態(tài)和固態(tài)兩種形式，其中液態(tài)材料，如液體金屬、離子液體和其他導(dǎo)電物質(zhì)溶液等的壓敏性能相對(duì)較差。REBECCA等[12]以液態(tài)金屬為敏感材料制備的柔性壓力傳感器在約100 kPa的壓力下僅發(fā)生5%的電壓變化。固態(tài)材料，如傳統(tǒng)金屬和半導(dǎo)體材料由于延展變形性能差，僅能進(jìn)行彎曲變形，同時(shí)較低的靈敏度使其難以適應(yīng)新型柔性壓力傳感器高靈敏度檢測的要求[13-14]。隨著先進(jìn)新材料的不斷涌現(xiàn)，導(dǎo)電聚合物(如聚吡咯PPy、聚苯胺PANI和聚3,4-乙烯二氧噻吩-聚苯乙烯磺酸PEDOT…PSS等)[15-17]、金屬納米材料(金、銀、銅等金屬及金屬氧化物的納米粒子或納米線)及碳基納米材料(如石墨烯Gr、碳納米管CNT、炭黑CB、碳纖維CF等)[18-20]等優(yōu)異的壓敏材料得到重視。將上述材料作為導(dǎo)電填充材料均勻分散于絕緣基體(如高分子聚合物、硅橡膠、聚二甲基硅氧烷PDMS等)中，所得填充型復(fù)合材料既保持了高分子材料的優(yōu)異特性又具有導(dǎo)電功能，是目前傳感器壓敏材料最常用的復(fù)合方式[21]。CHEN等[22]將石墨烯片分散在硅橡膠基質(zhì)中成功制備了具有壓阻效應(yīng)的復(fù)合材料。CHENG等[23]以炭黑、銅和銀粒子作為導(dǎo)電填料分散于PDMS中制得了具有良好壓敏特性的復(fù)合壓敏材料。利用多種材料進(jìn)行復(fù)合填充還可增加導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)效應(yīng)[24]。

前驅(qū)體溶液中不同種類導(dǎo)電填料之間的配比、導(dǎo)電填料的含量直接影響壓力傳感器的性能。因此，對(duì)這兩個(gè)關(guān)鍵因素進(jìn)行研究，是探明復(fù)合材料的壓敏機(jī)制，使其獲得優(yōu)異導(dǎo)電性和壓阻特性的關(guān)鍵。為此，作者以石墨烯納米片(GNPs)和多壁碳納米管(MWCNT)作為導(dǎo)電填料，以聚氧化乙烯(PEO)聚合物為基體制備得到復(fù)合材料薄膜，研究了不同GNPs/MWCNT填充量和配比對(duì)復(fù)合材料薄膜透光率、導(dǎo)電性和壓阻特性的影響，基于直寫3D打印平臺(tái)展示了前驅(qū)體溶液的連續(xù)圖案化能力，并在聚酰亞胺(PI)基材電路上實(shí)現(xiàn)了8×8陣列的敏感單元的定位打印，以期為后續(xù)柔性壓力傳感器的敏感機(jī)理研究及設(shè)計(jì)制造提供強(qiáng)有力的基礎(chǔ)支撐。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)材料為石墨烯納米片(重均分子量MW為12.01 g·mol-1，將其溶解在H2O里，得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的GNPs溶液)、多壁碳納米管(碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于98%)、聚二甲基硅氧烷(PDMS，型號(hào)為道康寧184，由基體和交聯(lián)固化劑組成)、聚氧化乙烯(摩爾質(zhì)量為300 000 g·mol-1)。載玻片、滴定管等由廈門市綠茵試劑玻儀有限公司提供。PI基材電路板由深圳市昊林電路有限公司提供。

將GNPs溶液與MWCNT按質(zhì)量比1 000∶1混合，同時(shí)加入不同質(zhì)量的PEO聚合物，得到GNPs/MWCNT與聚合物的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為6%，4%，2%，1%，0.5%的前驅(qū)體溶液。利用離子水配制聚合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的溶液作為對(duì)照組。先使用磁力攪拌器以200 r·min-1的轉(zhuǎn)速對(duì)前驅(qū)體溶液攪拌2 h，再使用超聲波裝置在80%功率和50 kHz頻率下超聲3 h，使其充分混合均勻，避免發(fā)生團(tuán)聚。采用模板法在PDMS基底上制備方型復(fù)合材料薄膜，待溶劑蒸發(fā)后，根據(jù)GNPs/MWCNT在聚合物中的占比，得到GNPs/MWCNT質(zhì)量分?jǐn)?shù)(即填充量)分別為0，3%，5%，10%，20%，40%的薄膜試樣，用于研究不同GNPs/MWCNT填充量下復(fù)合材料的性能。

模板法加熱固化成膜過程如圖1所示：首先在100 μm厚的PI膠上切割尺寸為1 cm×1 cm(長×寬)的矩形通槽，將其黏附于PDMS基底表面，得到薄膜試樣的模具；然后用滴定管在模具中分別滴入等體積的前驅(qū)體溶液，保證膜厚一致；使用真空烘箱將模具中的溶液在100 ℃下加熱固化30 min；最后將薄膜試樣從模具中剝離。不同GNPs/MWCNT填充量下復(fù)合材料薄膜試樣的尺寸均為1 cm×1 cm×80 μm(長×寬×厚)。

圖1 復(fù)合材料薄膜試樣制備流程示意Fig.1 Schematic of the preparation process of composite film samples

將GNPs溶液和MWCNT按質(zhì)量比1…0，4 000…1，1 000…1，1 000…4混合，使GNPs與MWCNT的質(zhì)量比(后稱配比)分別為1…0，4…1，1…1，1…4，同時(shí)加入不同質(zhì)量的PEO聚合物，得到GNPs/MWCNT與聚合物的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1%，5%，2%，5%的前驅(qū)體溶液，即控制GNPs/MWCNT在最終薄膜中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%。對(duì)溶液進(jìn)行攪拌和超聲處理，保證其充分均勻混合，得到不同GNPs/MWCNT配比的前驅(qū)體溶液，復(fù)合材料薄膜制備過程同上。

1.2 試驗(yàn)方法

分別利用SZ66型連續(xù)變倍體視顯微鏡和JSM-IT500a型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察薄膜試樣的宏觀和微觀形貌。通過UV-3600型分光光度計(jì)測試薄膜的透光率。通過Handpi HP-5N型壓力計(jì)進(jìn)行壓敏測試，通過Agilent 34410A型數(shù)字萬用表測試施加壓力時(shí)薄膜的電阻變化。

根據(jù)復(fù)合材料薄膜尺寸，其電阻率ρ和電導(dǎo)率σ計(jì)算公式為

ρ=Rs/L

(1)

σ=1/ρ

(2)

式中：R為電阻；s為截面面積；L為薄膜長度。

復(fù)合材料薄膜的變化電阻ΔR和靈敏度系數(shù)S的計(jì)算公式為

ΔR=Ra-R0

(3)

S=δ(ΔR/R0)/(δp)

(4)

式中：R0為施壓前初始電阻值；Ra為施壓后的電阻值；p為施加的壓力。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論2.1 不同GNPs/MWCNT填充量的影響

由圖2可以看出，GNPs/MWCNT填充量低的復(fù)合材料分散特性較差，材料連通性能弱；隨著GNPs/MWCNT質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到10%以上，復(fù)合材料的分散特性逐漸趨于均勻，材料的連通性能增強(qiáng)。

圖2 不同GNPs/MWCNT填充量下復(fù)合材料薄膜試樣的宏觀形貌Fig.2 Macroscopic morphology of composite film samples with different GNPs/MWCNT filling content

由圖3可以看出：純PEO聚合物薄膜的表面平整，無其他顯著特征；當(dāng)復(fù)合材料中GNPs/MWCNT導(dǎo)電填料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)，復(fù)合材料幾乎完全被聚合物絕緣層包裹；當(dāng)GNPs/MWCNT質(zhì)量分?jǐn)?shù)增至5%時(shí)，復(fù)合材料表面包覆的PEO聚合物明顯減少，這使得導(dǎo)電填料之間的連接得到極大改善；隨GNPs/MWCNT填充量繼續(xù)增加，復(fù)合材料表面的聚合物不斷減少，導(dǎo)電填料接觸間隙進(jìn)一步減小，這有利于壓敏材料導(dǎo)電性能的提高。

圖3 不同GNPs/MWCNT填充量下復(fù)合材料薄膜試樣的SEM形貌Fig.3 SEM of composite film samples with different GNPs/MWCNT filling content

2.2 透光率及導(dǎo)電特性

由圖4(a)可以看出：純PEO聚合物薄膜透光率整體保持在80%以上，隨著GNPs/MWCNT導(dǎo)電填料的加入，復(fù)合材料的透光率下降至50%以下，當(dāng)填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%時(shí)，復(fù)合材料的透光率僅約為36%；不同GNPs/MWCNT填充量對(duì)復(fù)合材料透光性的影響不大，當(dāng)導(dǎo)電填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)由3%增至40%時(shí)，透光率僅下降了約7%。由于復(fù)合材料的薄膜厚度達(dá)80 μm，導(dǎo)電填料大量分散其中，因此透光率大幅度下降;而低填充量下導(dǎo)電填料的分散性較差且聚合物的含量較高，故其透光率相對(duì)較高。

由圖4(b)可以看出：不同GNPs/MWCNT配比下，復(fù)合材料透光率均低于43%，且GNPs/MWCNT配比對(duì)透光率的影響幾乎可忽略不計(jì)；隨著MWCNT占比增加，復(fù)合材料透光率僅提高約1.5%。總體來說，GNPs/MWCNT填充量對(duì)透光率的影響大于配比的影響。

圖4 不同GNPs/MWCNT填充量及配比下復(fù)合材料的透光率Fig.4 Light transmittance of composite materials with different GNPs/MWCNT filling content (a) and ratios (b)

由圖5(a)可知，隨GNPs/MWCNT填充量增加，復(fù)合材料電阻率由3.36×106Ω·m降至1.46×10-2Ω·m，下降了9個(gè)數(shù)量級(jí)，電導(dǎo)率則由2.98×10-7S·m-1增至68.68 S·m-1，提高了9個(gè)數(shù)量級(jí)。結(jié)合圖3分析可知，隨導(dǎo)電填料填充量增加，復(fù)合材料表面絕緣層厚度大幅降低，GNPs/MWCNT之間直接連接和微間隙連接數(shù)量大幅增加，構(gòu)成了穩(wěn)定的三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，其載流子-電子在導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)間因?qū)щ娡坊蛩淼佬?yīng)不斷發(fā)生遷移，使得電阻大幅降低。當(dāng)填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于5%時(shí)，其對(duì)復(fù)合材料導(dǎo)電性的影響顯著降低。根據(jù)導(dǎo)電路徑理論分析可知，該復(fù)合材料的滲流閾值在5%左右。

圖5 不同GNPs/MWCNT填充量及配比下復(fù)合材料的導(dǎo)電特性Fig.5 Conductive properties of composite materials with different GNPs/MWCNT filling content (a) and ratios (b)

隨GNPs/MWCNT配比由1…0變?yōu)?…4，MWCNT含量增加，復(fù)合材料的電阻由92.8 kΩ降至3.4 kΩ，計(jì)算得到其電阻率和電導(dǎo)率,見圖5(b)?？梢钥闯觯寒?dāng)GNPs/MWCNT配比為1…0時(shí)，復(fù)合材料電阻率較高，PEO聚合物使GNPs連接受阻，隧道效應(yīng)導(dǎo)電機(jī)制占主導(dǎo)作用；當(dāng)GNPs/MWCNT配比為1…1時(shí)，MWCNT的增加為GNPs之間的連通提供了橋梁，此時(shí)接觸導(dǎo)電機(jī)制占主導(dǎo)作用，電阻率由7.43 Ω·m降至0.3 Ω·m，下降了約2 500%，電導(dǎo)率則由0.135 S·m-1增至3.38 S·m-1，提高了約25倍；當(dāng)GNPs/MWCNT配比增至1…4時(shí)，盡管MWCNT含量進(jìn)一步增加，但GNPs不足導(dǎo)致導(dǎo)電路徑減少，故電阻變化不大，電阻率僅降低約0.02 Ω·m，電導(dǎo)率則提高了0.02 S·m-1。由于協(xié)同效應(yīng)，GNPs/MWCNT復(fù)合填充比GNPs填充更有利于復(fù)合材料導(dǎo)電性能的提升。

2.3 壓阻特性

由圖6可知：當(dāng)GNPs/MWCNT質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0和3%時(shí)，復(fù)合材料的ΔR/R0不隨壓力的增加發(fā)生變化，靈敏度系數(shù)為0，即復(fù)合材料不存在壓敏特性；當(dāng)填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，壓力超過60 kPa后，ΔR/R0隨壓力增加而增大，呈現(xiàn)微弱正壓阻效應(yīng)，靈敏度系數(shù)僅為0.236 MPa-1；當(dāng)填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)增至10%，正壓阻效應(yīng)顯著增強(qiáng)，隨著壓力增大，ΔR/R0從0增至0.102，靈敏度系數(shù)達(dá)0.97 MPa-1；填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，隨著壓力增加，ΔR/R0僅增加0.036，正壓阻效應(yīng)反而減弱；當(dāng)填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)增至40 %時(shí)，壓敏特性由正壓阻效應(yīng)變?yōu)樨?fù)壓阻效應(yīng)，ΔR/R0從5 kPa下的-0.082降至105 kPa下的-0.06，靈敏度系數(shù)為-0.57 MPa-1。顯然，在整個(gè)量程內(nèi)呈正壓阻效應(yīng)曲線的線性度較好，高于滲流值。GNPs/MWCNT填充質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，復(fù)合材料的壓敏性能最優(yōu)。

圖6 不同GNPs/MWCNT填充量下復(fù)合材料的壓阻特性及靈敏度曲線Fig.6 Piezoresistive characteristics (a) and sensitivity (b) curves of composite materials with different GNPs/MWCNT filling content

由圖7可知：不同GNPs/MWCNT配比下復(fù)合材料的ΔR/R0均隨著壓力的增加而增大，呈正壓阻效應(yīng)；當(dāng)GNPs/MWCNT配比由1…0變?yōu)?…1時(shí)，正壓阻效應(yīng)增強(qiáng)最明顯，靈敏度系數(shù)提升最高，由0.114 MPa-1增至0.97 MPa-1；隨MWCNT含量進(jìn)一步增加，正壓阻效應(yīng)反而降低，GNPs/MWCNT配比為1…4時(shí)，靈敏度系數(shù)降至0.52 MPa-1。GNPs/MWCNT配比為1…1時(shí)復(fù)合材料的壓敏性能最為優(yōu)異。

圖7 不同GNPs/MWCNT配比下復(fù)合材料的壓阻特性及靈敏度曲線Fig.7 Piezoresistive characteristics (a) and sensitivity (b) curves of composite materials with different GNPs/MWCNT ratios

作為傳感器的壓敏材料，復(fù)合材料需要同時(shí)具有優(yōu)異的導(dǎo)電性和壓阻特性。綜合上述測試結(jié)果可知，當(dāng)GNPs/MWCNT的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%、配比為1…1時(shí)所制備的復(fù)合材料性能最優(yōu)，滿足壓力傳感器要求，可作為后續(xù)制造壓敏單元的候選參數(shù)。

2.4 壓敏原理分析

依據(jù)壓阻特性基礎(chǔ)理論及復(fù)合材料微觀形貌進(jìn)行壓敏原理分析，如圖8所示。壓力引起形變導(dǎo)致材料內(nèi)部導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)改變，從而使電阻發(fā)生變化。當(dāng)導(dǎo)電填料填充量不足(0，3%)時(shí)，GNPs/MWCNT間距較大，壓力產(chǎn)生的形變不足以改變導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，故材料無壓敏特性。當(dāng)填充量為5%～20%，壓力引起的形變使導(dǎo)電路徑發(fā)生可恢復(fù)性重構(gòu)，但破壞的路徑多于形成的路徑，故產(chǎn)生正壓阻效應(yīng)。在5%低填充質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，隧道效應(yīng)占主導(dǎo)，壓力對(duì)其產(chǎn)生的少量導(dǎo)電通路的破壞程度小，正壓阻效應(yīng)低，且所需壓力較大；10%填充質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，接觸導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)大幅增加且占主導(dǎo)，壓力對(duì)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的破壞使得ΔR/R0大幅改變，正壓阻效應(yīng)增強(qiáng)；填充質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%下，壓力在引起導(dǎo)電通路破壞的同時(shí)，GNPs/MWCNT形成的導(dǎo)電路徑亦增加，電阻因?qū)щ娐窂狡茐亩兇蟮内厔?shì)減緩，正壓阻效應(yīng)降低。當(dāng)填料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增至40%時(shí)，GNPs/MWCNT含量大幅增加，形成的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)超過被壓力破壞的，材料呈現(xiàn)負(fù)壓阻效應(yīng)。

圖8 壓敏原理示意Fig.8 Schematic of pressure-sensitive principle： (a) no piezoresistive characteristics; (b) negative piezoresistive characteristics and(c) positive piezoresistive characteristics

對(duì)于不同GNPs/MWCNT配比下的復(fù)合材料來說，當(dāng)配比為1…0和4…1時(shí)，MWCNT含量低，由GNPs建立的隧道導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)占主導(dǎo)，由于GNPs隧道接觸面較大，導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)難以破壞，故ΔR/R0變化不大，材料壓敏性能差；配比為1…1時(shí)，MWCNT含量的增加構(gòu)建起足夠多的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，且該導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)受壓易產(chǎn)生可恢復(fù)破壞，壓敏性能優(yōu)異；配比為1…4時(shí)，MWCNT為GNPs提供大量橋接，構(gòu)成了穩(wěn)定的三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，此時(shí)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)也很難為外力所破壞，材料壓阻效應(yīng)降低。綜上，MWCNT在GNPs之間形成的橋梁結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合材料的導(dǎo)電性及壓阻特性均具有關(guān)鍵作用。

2.5 直寫3D打印效果驗(yàn)證

納米粒子具有較大的比表面積，因此極易發(fā)生團(tuán)聚而不能均勻分散在基體中，也就不能充分發(fā)揮自身特性。作為3D打印原材料，前驅(qū)體溶液的穩(wěn)定性和均勻性非常重要，直接影響到打印效果。由圖9可以看出，放置時(shí)間在6個(gè)月以內(nèi)時(shí)，GNPs/MWCNT在溶液中分散穩(wěn)定，無沉淀或團(tuán)聚現(xiàn)象；放置6個(gè)月后，前驅(qū)體溶液逐漸呈現(xiàn)不穩(wěn)定性，出現(xiàn)團(tuán)聚和沉淀現(xiàn)象；隨時(shí)間繼續(xù)延長，團(tuán)聚沉積及分層現(xiàn)象越發(fā)嚴(yán)重，溶液不再適用于壓敏單元的打印材料，但可以通過對(duì)前驅(qū)體溶液進(jìn)行超聲處理等使導(dǎo)電填料再次分散均勻。

圖9 GNPs/MWCNT配比1…1的前驅(qū)體溶液放置不同時(shí)間后的分散性Fig.9 Dispersibility of the precursor solution with GNPs/MWCNT ratio of 1…1 after different times

前驅(qū)體溶液的可噴印性是直寫3D打印制造傳感器壓敏單元結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。利用CCD相機(jī)觀察不同GNPs/MWCNT填充量下打印噴頭的出液和噴印情況。由圖10可以看出：未填充GNPs/MWCNT時(shí)，噴頭出液均勻，可通過調(diào)節(jié)參數(shù)穩(wěn)定持續(xù)供液，溶液在PDMS表面直寫沉積效果良好；GNPs/MWCNT質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%和5%時(shí)，受其與高濃度聚合物的影響，供液出現(xiàn)不連續(xù)、不穩(wěn)定現(xiàn)象，直寫沉積過程無法通過調(diào)節(jié)參數(shù)進(jìn)行控制；質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，聚合物含量相對(duì)降低，噴頭出液及直寫沉積狀態(tài)良好；填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加，聚合物含量進(jìn)一步降低，噴頭不可控地持續(xù)大量出液，溶液沉積擴(kuò)散不規(guī)律，無法滿足傳感器敏感單元的打印要求。

圖10 不同GNPs/MWCNT填充量下前驅(qū)體溶液的直寫沉積特性Fig.10 Direct writing deposition characteristics of precursor solutions with different GNPs/MWCNT filling content

采用GNPs/MWCNT配比為1…1、填充質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的前驅(qū)體溶液，通過自主搭建的直寫3D打印平臺(tái)進(jìn)行S曲線圖案的打印。由圖11(b)可知，S圖案打印均勻穩(wěn)定，未出現(xiàn)斷點(diǎn)情況，表明該前驅(qū)體溶液可用于微納結(jié)構(gòu)的連續(xù)噴印制造。在PI基材導(dǎo)電電路上進(jìn)一步進(jìn)行敏感單元的陣列化噴??；PI基材電路采用雙層電路設(shè)計(jì)，上層電路為行電路，下層電路為列電路，兩層電路通過PI層進(jìn)行隔離，底層列電極通過通孔互聯(lián)在外表面形成了8×8陣列電極分布,見圖11(c)～(d)；敏感單元結(jié)構(gòu)采用矩形結(jié)構(gòu)，尺寸為2 mm×2 mm,見圖11(e)～(f)。作者成功進(jìn)行了64個(gè)敏感單元的直寫打印，所得矩形結(jié)構(gòu)敏感單元的線寬約為300 μm。將打印后的敏感結(jié)構(gòu)進(jìn)行封裝即得到柔性壓力傳感器，有關(guān)其性能測試及應(yīng)用方面的工作，作者團(tuán)隊(duì)也已取得一些成果，有待發(fā)表。

圖11 傳感器敏感單元的直寫3D打印Fig.11 Direct writing 3D printing of the sensor sensitive unit: (a) schematic of direct write printing; (b) S-shaped pattern printing object; (c) PI substrate circuit; (d) area 1 enlargement; (e) square sensitive unit and (f) area 2 enlargement

3 結(jié) 論

(1) 隨GNPs/MWCNT填充量增加，復(fù)合材料表面包覆的PEO聚合物絕緣層減少，導(dǎo)電填料連通性能增強(qiáng)；填充GNPs/MWCNT后，復(fù)合材料的透光率大幅下降，降至50%以下，GNPs/MWCNT填充量和配比變化對(duì)透光性的影響不大。

(2) 隨GNPs/MWCNT填充量和配比增加，復(fù)合材料導(dǎo)電性能顯著提升，其滲流閾值質(zhì)量分?jǐn)?shù)在5%左右；GNPs/MWCNT復(fù)合填充比GNPs填充更有利于復(fù)合材料導(dǎo)電性的提升；當(dāng)GNPs/MWCNT的填充質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%、配比為1…1時(shí)，復(fù)合材料壓敏性能最優(yōu)。

(3) 前驅(qū)體溶液穩(wěn)定性較好，可以長達(dá)半年不發(fā)生沉降和聚集；利用GNPs/MWCNT配比為1…1、填充質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的前驅(qū)體溶液打印得到的S型圖案均勻、無斷點(diǎn)，其連續(xù)打印能力優(yōu)良且能夠進(jìn)行大面積噴印制造。