应变片制备方法及具有其的应变片及霍普金森杆与流程

本发明涉及应变片领域，尤其是应变片制备方法及具有其的应变片及霍普金森杆。

背景技术：

应变片是常用到的测量器件，目前用到的应变片一般包括电阻应变片及半导体应变片，无论是电阻应变片还是半导体应变片，其功能层均先制作在绝缘基底上，该基底刚度较大，使用时需要将应变片粘贴在结构或者试件表面。粘结方式主要为胶黏接，胶黏剂采用502胶时，需待清洗剂挥发后，先在贴片位置滴一点502胶，用应变计背面将胶水涂匀，然后用镊子拨动应变计，调整位置和角度，完成地位后，在应变计上垫一层聚乙烯或四氟乙烯薄膜，用手指轻轻挤压出多余的胶水和气泡，待胶水初步固化后即可松开。在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：应变片的角度不易控制：对于电阻应变片或者半导体应变片，都是有方向性的，对于目前常用的格栅形状的应变片，其长度方向变形最大，也就意味着其最敏感，而宽度方向其敏感度最低，因此只有保持应变片与试件变形方向平行才能提高电阻应变片的性能，从而提高测量的准确性，而手动式贴片很难保证电阻丝的方形与材料变形方向平行；粘接剂的厚度不易控制：应变片的形变是由试件引起的，其中粘接剂的厚度如果太厚，容易引起形变的衰减，太薄容易导致粘接不牢固，在涂粘接剂时，需要用手将胶水挤出，并保证接触面没有气泡，手指按压至粘接剂固化方可，这个过程与粘结剂量和温度有关，至少要保持几分钟，按压的过程中手指容易活动导致应变片方向错位等问题；固化时间较长：初步固化后的粘结剂需静置一段时间才能达到最大粘接强度；对于接触表面是平面时，粘结会比较容易，对于接触表面是曲面时，基底与试件的接触面容易翘起导致功能层与试件粘结不充分。

技术实现要素：

有鉴于此，提供一种应变片制备方法，该方法包括如下步骤：

应变片制备方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

在目标面上打印应变敏感层；

固化所述应变敏感层；

在所述应变敏感层的端部布设导电部件；

在所述应变敏感层上设置聚合物薄膜层，以使所述聚合物薄膜层覆盖所述应变敏感层与所述导电部件的连接点以及所述应变敏感层。

进一步地，在目标面上打印应变敏感层之前，还包括在所述目标面上打印绝缘基底并固化所述绝缘基底。

进一步地，所述绝缘基底的厚度小于10μm。

进一步地，所述应变敏感层的材料包括聚合物和导电颗粒。

进一步地，所述导电颗粒的质量分数为10％-30％。

进一步地，所述聚合物薄膜层的厚度小于50μm。

另一方面，还提供了一种应变片，所述应变片由上述的应变片的制备方法制作而成。

再一方面，还提供了一种霍普金森杆，包括应变片，所述应变片由上述的应变片的制备方法制作而成。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1所示为本发明实施例1提供的应变片的制备方法的流程图。

图2所示为采用实施例1应变片制备方法获得的应变片俯视图。

图3所示为采用实施例1应变片制备方法获得的应变片的剖面图。

图4所示为采用实施例1应变片制备方法获得的电容式应变片的俯视图。

图5所示为采用实施例1应变片制备方法获得的在霍普金森杆上制备应变片的侧视图。

图6所示为采用实施例1应变片制备方法获得的在承重梁的底部制备应变片的俯视结构示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，详细说明如下。

提供一种应变片的制备方法及具有其的应变片及霍普金森杆。该制备方法适合平面和曲面等多种目标面的制备，能够减少在目标面制备应变片的时间，提高制备效率，同时能够将应变片准确地制备在目标位置且粘结牢固，保证在目标表面制备的应变片整体性能稳定、灵敏度高，且制备过程中不会出现气泡，制备过程干净整洁。

图1所示为本发明实施例1提供的应变片制备方法的流程图，图2所示为采用实施例1应变片制备方法获得的应变片俯视图，图3所示为采用实施例1应变片制备方法获得的应变片的剖面图。

如图1-3所示，本发明实施例提供的应变片制备方法包括如下步骤：

s1：在目标面上打印应变敏感层；

s2：固化所述应变敏感层；

s3：在所述应变敏感层的端部布设导电部件；

s4：在所述应变敏感层上设置聚合物薄膜层，以使所述聚合物薄膜层覆盖所述应变敏感层与所述导电部件的连接点以及所述应变敏感层。

s1步骤中，在目标面上打印应变敏感层，目标面为要在其上制备应变片的某器件的目标区域表面，该目标面可以为非导电的某器件的目标区域表面，或者该器件的目标区域表面已有绝缘基底层1，不需要另外在该器件的目标区域表面上制备绝缘基底层1，应变敏感层2的功能是将应变转化为电阻的变化，本实施例中，该步骤是利用3d打印步骤实现的，通过控制打印机喷头的运动可实现具有不同图案的应变敏感层2的制作。应变敏感层2的宽度和厚度可以通过控制打印头的尺寸得到，应变敏感层2为多个线条组成的图案，相邻的应变敏感线条之间的距离可以通过在pc端的程序设计或具有完整图案设计的打印喷头的打印设备实现。

进一步地，用于打印应变敏感层2的打印材料可以为聚合物与导电颗粒的复合材料，其中，聚合物可以选择聚乙烯、聚氯乙烯、聚碳酸酯、聚丙烯、橡胶等弹性较好的材料，弹性好的材料可以实现应变敏感层2的更大变形，提高了灵敏度及准确性。导电颗粒包括石墨、石墨烯、碳纳米管、银纳米颗粒等，

进一步地，为保证应变敏感层2的良好的导电性，聚合物与导电颗粒的复合物中，导电颗粒的质量分数为10-30％。

s2步骤中，固化应变敏感层2，固化方式包括光固化和热固化。如果应变敏感层2不进行固化，则在应变敏感层2上制备聚合物薄膜层4时，应变敏感层2容易变形，从而导致最终制备的应变片不能实现应变功能。

s3步骤中，在应变敏感层2的端部布设导电部件3，布设方式包括直接将导电部件3粘结于应变敏感层2上，或在应变敏感层2上打印导电部件3。该导电部件3用于连接外部测量电路，将应变敏感层2因应变转化为电阻的阻值传递并导出。

s4步骤中，在应变敏感层2上设置聚合物薄膜层4，以使聚合物薄膜层4覆盖应变敏感层2与导电部件3的连接点以及应变敏感层2。本实施例中是在应变敏感层2上部设置一层聚合物薄膜4，聚合物薄膜层4的作用是对应变敏感层2，以及变敏感层2与导电部件3的连接点保护作用。

另一实施例中，在目标面上打印应变敏感层之前，还包括在目标面上打印绝缘基底并固化该绝缘基底。在目标面上打印绝缘基底1的目的是避免造成底层试件与应变敏感层2之间的电路短路。固化所述绝缘基底1的目的是保证应变敏感层2在制备的过程中渗漏到目标打印面上。因本实施例中绝缘基底1的厚度较薄，因此，在室温下自然静置1分钟也可完成绝缘基底1的固化，如需加速绝缘层1的固化，也可利用固化设备对其进行光固化或热固化。

进一步地，一方面，为保证绝缘基底1与底层试件的牢固粘结且在试件高速变形时不会发生脱粘，另一方面，为降低绝缘基底1对于信号的衰减，以得到更准确的应变数据，也即绝缘基底1不但要实现绝缘这一基本功能，同时其厚度需要尽可能小，本实施例中，该绝缘基底1的厚度优选为小于10μm，厚度越薄，其测量精度越高，可采用丝网印刷、喷墨打印或喷雾热解法制备该绝缘基底1，在其他实施例中，也可以采用其他制备方法制备绝缘基底1。

进一步地，本实施例中绝缘基底1的制备材料优选为固化胶黏剂，具体包括α-氰基丙烯酸甲酯(502胶)和α-氰基丙烯酸乙酯(401胶)，α-氰基丙烯酸甲酯和d-氰基丙烯酸乙酯相比于应变敏感层2，其刚度比应变敏感层2大，因而不会影响应变敏感层2的拉伸性能，且α-氰基丙烯酸甲酯和α-氰基丙烯酸乙酯的粘结力强、绝缘性好、固化时间短。在其他实施例中绝缘基底1的材料也可包含刚度比应变敏感层2大的其他固化胶粘胶剂。

进一步地，绝缘基底1厚度小于10μm，保证实现应变敏感层2与目标打印面之间绝缘的功能前提下，绝缘基底1越薄，应变片整体的灵敏度越高。

上述打印方式包括丝网印刷、喷墨打印或喷雾热解法，在其他实施例中，也可以采用其他打印方式打印。

本实施例中应变敏感层2为线条状图案层，且所述线条的直径小于50μm。线条越细，制备出的应变片测量精度越高。在其他实施例中，应变敏感层2线条的直径也可大于50μm。

进一步地，聚合物保薄膜层4会与应变敏感层2相互粘结，当聚合物薄膜层4的厚度太大时，其会影响应变敏感层2的拉伸性能，导致构件敏感性降低，因此聚合物薄膜层4的厚度优选为小于50μm，厚度越薄，应变片整体的拉伸性能越好。优选制备方式为，聚合物薄膜是已经固化的聚合物保护膜，该保护膜通过丝网印刷技术在其他地方制作，然后直接贴在应变敏感层2上，采用打印或涂覆的方式在应变敏感层2上制备聚合物薄膜层4相较于直接在应变敏感层2上贴预先制备好的聚合物薄膜层4，应变敏感层2与聚合物薄膜层4之间的粘结力较大，因此直接在应变敏感层2上贴预先制备好的聚合物薄膜层4可减小应变敏感层2的变形。

进一步地，导电部件3可以为导线、导电片、电极线或其他可将电信号引出的导电部件3，导电部件3与应变敏感层2可以胶结，焊接等，导线可以为铜导线、银导线或金导线。

图4所示为采用实施例1应变片制备方法获得的电容式应变片的俯视图。该电容式应变片的制备方法与上述应变片制备方法的实施例基本相同，其不同之处在于s2步骤中应变敏感层2的图案形状不同。

具体实施例一：

(1)采用丝网印刷技术在目标打印面上打印绝缘基底1，薄膜厚度在3μm，该绝缘基底1由包含有α-氰基丙烯酸甲酯的材料制备而成，然后静置一分钟使该绝缘基底1完成固化。

(2)利用3d打印技术在绝缘基底1远离目标面的一侧打印应变敏感层2，通过控制打印机喷头的运动实现如图2所示的图案的制备，应变敏感层2的宽度和厚度可以通过控制打印头的尺寸得到，应变敏感层2的单个线条的线宽为50um。打印材料为含有聚乙烯与石墨烯的复合材料，其中石墨烯颗粒的的质量分数为16.7％。然后采用光固化的方式对应变敏感层2进行紫外光光照1分钟完成固化。

(3)在应变敏感层2端部接铜导线3，铜线直径50um，长度2cm。

(4)在应变敏感层2上部制备一层聚合物薄膜层4，选用厚度为50um已经固化的聚合物保护膜，该聚合物薄膜层4的材料为聚乙烯，然后直接贴附在应变敏感层2远离绝缘基底1的一侧。

具体实施例二：

(1)如图5所示，在直径50mm的霍普金森杆5的目标打印面上打印绝缘基底1。

将目标打印面清洗干净，先用砂纸沿霍普金森杆5的45°角方向打磨霍普金森杆5目标打印面，以除去铁锈及表面杂物同时增加霍普金森杆5与绝缘基底1的粘附力，再利用丙酮对该目标打印面进行处理，最后用酒精擦拭霍普金森杆5的目标打印面，晾干该目标打印面后，采用丝网印刷技术在目标打印面上打印绝缘基底1，绝缘基底1的厚度为5μm，静置一分钟使该绝缘基底1完成固化。该绝缘基底1由包含有α-氰基丙烯酸乙酯的材料制备而成。

(2)利用3d打印技术在绝缘基底1远离霍普金森杆5目标面的一侧打印应变敏感层2。

绝缘基底1的形状为长方形，沿霍普金森杆5的方向，该长方形长度为20mm，垂直于实验杆方向该长方形的宽度为10mm，控制打印机喷头的运动实现如图5所示的图案制备，应变敏感层2的宽度和厚度可以通过控制打印头的尺寸得到，应变敏感层2线条的线宽为30μm，应变敏感层2相邻线条之间的距离为120um，通过在pc端的程序设计来控制格栅之间的距离。打印材料为含有pdms与石墨烯的复合材料，其中石墨烯颗粒的的质量分数为18％，然后温度保持在100度，热固化三分钟可完成对应变敏感层2的固化。

考虑绝缘基底1与应变敏感层2之间的粘结性能，热固化时应注意绝缘基底的熔点与热固化时的温度，如502胶的使用温度不能超过70度，因为502胶在50度以后其粘结性能很差；502胶和pdms两种配合使用时，其固化温度不能超过50度；道康宁280a胶黏剂在280度时仍然保持较高的粘性，其使用时就可以采用大于280度的热固化温度。

(3)在应变敏感层2端部接银导线3，银导线3直径100um，长度3cm。

(4)在应变敏感层2上部涂覆一层厚度为30μm的聚合物薄膜层4，旋涂转速设定为5000r/s，该聚合物薄膜层4的材料为聚乙烯。

应变片制作完成，即可开展应变片的标定及实验。该方案不仅适用于霍普金森压杆，对于拉杆、扭杆同样适用，包括各种实验应变信号的测量。

本实施例中，霍普金森杆5传播单个应力波，传播方向从左到右，由于应力波在霍普金森杆5右端面会发生发射，需考虑在应变片处不能发生波的叠加，因此应变片距离右端面的距离要大于波长。

具体实施例三：

本案例中承重梁6为高强度结构钢(如图6所示)，梁截面为方形，宽厚及厚度为50mm，长度400mm，利用3d打印技术在承重梁的实验杆上制作应变片。

该承重梁6需打印三个应变片方可实现压应力监测功能，分别要在承重梁6的前部、后部和底部三个位置进行应变片的打印，以底部的应变片制备为例：

(1)在承重梁6底部的目标打印面上打印绝缘基底1。监测长度(应变片长度与整体结构的比值)为承重梁6整体长度的1/10，即40mm。在底部需要对整个厚度方向上监控，前部和后部的监测高度为承重梁6整体高度的1/5，即5mm。

将目标打印面清洗干净，先用砂纸沿承重梁6的45°角方向打磨承重梁6底部的目标打印面，以除去铁锈及表面杂物同时增加承重梁6目标打印面与绝缘基底1的粘附力，再利用丙酮对该目标打印面进行处理，最后用酒精擦拭承重梁6底部的目标打印面，晾干该目标打印面后，采用喷墨打印技术在承重梁6底部制备绝缘基底1，绝缘基底1尺寸为长方形，沿承重梁6的水平方向的长度为60mm，垂直于承重梁6方向的宽度为50mm，绝缘基底1的厚度为10μm，印刷材料为光固化胶黏剂，采用高温设备对绝缘基底1进行固化，将温度设定在40°，烘烤5分钟。

(2)利用3d打印技术在绝缘基底1远离承重梁6底部的目标面的一侧打印应变敏感层2。该方案中应变敏感层2单个线条的线宽为500um，线长5mm，格栅之间距离500um，应变敏感层2整体宽度50mm，打印线宽150um。该方案中打印材料为银纳米颗粒与聚乙烯的复合材料，其中银纳米颗粒的质量分数为20.6％，然后对打印完成的应变敏感层2进行光固化，紫外光光照1分钟。

(3)在应变敏感层2端部打印金导线3，用于将电阻变化导出。金导线3直径100um，长度3cm。

(4)在应变敏感层2上部覆盖一层聚合物薄膜4，该聚合物薄膜的制备材料包含聚氯乙烯，聚合物薄膜4的作用是对应变敏感层2、应变敏感层2与导线3的节点起保护作用。该薄膜厚度为20um，通过旋涂法制作，旋涂转速设定为5000r/s，将制作好的薄膜覆盖在应变敏感层2上即可。

以上实施例中，当目标面为非导电的某器件的目标区域表面，或者该器件的目标区域表面已有绝缘基底层1，不需要另外在该器件的目标区域表面上制备绝缘基底层1，则可省略制备绝缘基底1的步骤。

上述提供的应变片制备方法及具有其的应变片及霍普金森杆，该制备方法适合平面和曲面等多种目标面的制备，打印制备方法能够减少在目标面制备应变片的时间，提高制备效率，配合定位装置可将应变片准确地制备在目标位置且粘结牢固，通过控制打印头的尺寸和打印速度准确控制应变敏感层、绝缘基底的厚度，能够保证在目标表面制备的应变片整体性能稳定、灵敏度高，且制备过程中不会出现气泡，制备过程干净整洁。该方法可用于制备较大范围尺寸的应变片，应用更加广泛。

还提供了一种应变片，所述应变片由上述的应变片的制备方法制作而成。关于该应变片的其它技术特征，请参见现有技术，在此不再赘述。

还提供了一种霍普金森杆，包括应变片，所述应变片由上述的应变片的制备方法制作而成。关于该霍普金森杆的其它技术特征，请参见现有技术，在此不再赘述。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。