中国科学院太空制造技术重点实验室

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研究进展

基于聚醚醚酮3D打印和激光诱导石墨烯技术的智能结构的研究进展

  发布时间:2020-03-06     浏览次数:3368  分享至:


具有自主感知功能的智能结构在航天、深海、人工智能等领域有广阔应用前景。智能结构集结构和传感于一体,能够感知被测物的信息和状态,将自然界中的物理量转化为可测量的电信号。随着物联网和智能制造的兴起,智能结构得到广泛的关注和迅猛的发展。

近日,太空制造技术实验室研究团队提出了一种通过激光诱导石墨烯技术在聚醚醚酮3D打印件表面引入导电传感电路的方法,用于制造智能结构件。研究团队在前期的聚醚醚酮(PEEK)复合材料3D打印工艺(Polymers,2019,11,656)研究基础上,利用10.6 μm波长的CO2激光在聚醚醚酮3D打印件表面,制备了具备导电和传感双重功能的PEEK基激光诱导石墨烯(PEEK-LIG)。然后,通过聚二甲基硅氧烷与导线封装,得到PEEK-LIG智能结构件(图1)。该智能结构件具有力学性能优异,灵敏度高,循环稳定性好的优点,并且其制备方式简单,成本低,适用于多种应用场景。

 

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图1 PEEK-LIG智能结构的构建方法和测试表征

研究人员测试了在拉伸和弯曲两种应变模式下智能结构件的传感性能。在拉伸和弯曲应变2-5%范围内,PEEK-LIG智能结构件的传感灵敏度分别达到了155.36和212.35,并且智能结构件表现出PEEK 3D打印件几乎一致的力学性能(图2)。同时,为了将PEEK-LIG智能结构件用于更多应用场景,研究人员测试了PEEK-LIG结构的耐水性(图3)。在水中,PEEK-LIG结构件仍然具有优异的传感性能,其响应时间和恢复时间仅为60 ms和247 ms,在水下结构的健康监测中具有应用潜力。

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 图2 PEEK-LIG智能结构件的结构和应变传感性能测试

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 图3 PEEK-LIG智能结构件的耐水性试验和工作机理

PEEK-LIG在水中工作状态视频

3D打印技术和激光诱导石墨烯技术的灵活结合,使得该工作还具备潜力应用于更多工业应用场景,如智能结构件的低成本共形制造。磨损是工业生产中的一种普遍存在的现象,是机械零件失效的主要形式之一。研究人员利用3D打印技术设计、制造出PEEK齿轮,在齿轮的轮齿上利用激光诱导石墨烯技术制造出传感结构,并通过电刷将传感结构单元与电路相连,实现了对齿轮工作状态的监测。通过电阻的变化,可以对齿轮的磨损情况作出判断。值得一提的是,绝大多数高分子材料都能够通过激光诱导石墨烯工艺制造出石墨烯结构,该方法具有广泛的适用性。

 

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图4 PEEK-LIG智能齿轮和其工作状态

 PEEK-LIG齿轮工作状态视频

这一研究成果已于近期发表在ACS Applied Materials & Interfaces(2020, 12, 3, 3928-3935)上。论文的第一通讯单位为中国科学院空间应用工程与技术中心,合作通讯单位为清华大学,通讯作者为赵伟副研究员、王义亮助理研究员和王功研究员。

以上工作得到了北京市自然科学基金(2184136)、中国科学院前沿科学重点研究计划(ZDBS-LY-JSC042, QYZDB-SSW-JSC050-01)、中国科学院战略性先导科技专项A类(XDA22010101)的支持。

 

论文链接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.9b17467

 

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