一种多孔皮芯柔性压阻传感器及其熔融打印制备方法

本发明属于传感器，涉及一种多孔皮芯柔性压阻传感器及其熔融打印制备方法。

背景技术：

1、压阻传感器可以用于测量各种物理量和监测各种工况，目前广泛应用于工业自动化、医疗等领域，其工作原理基于材料的压阻效应，当材料受到压力或拉伸等力的作用时，其内部结构会发生微小变形，导致材料内部的电子流动受到阻碍，从而导致电阻值的变化，进而导致输出电压的变化，通过测量这种输出电压的变化，可以得出受力的大小。

2、压阻传感器测量结果的准确性受其灵敏度的影响，高灵敏度可以实现高精度的测量，而灵敏度又受到压阻传感器内部结构受到外力时产生的形变量的影响，具备良好的形变性能的结构可以提高压阻传感器的灵敏度。

3、目前的压阻传感器大多是利用3d打印技术制备的，如此压阻传感器不仅可以制造任意形状的几何实体，并且具有材料损耗小、制备成本低等优点。例如，专利cn115014594a公开了一种压阻传感器及其制备方法，该专利将皮层压阻材料与芯层导电材料通过3d打印实现同步挤出与成型制备具有皮芯结构的压阻传感器，对传统打印方法进行创新，缩短了工艺流程，简化了制备工艺，丰富了压阻传感器的形状与结构，提高了传感器的性能，满足了多领域的应用需求，但是该压阻传感器内部结构受到外力时产生的形变量过于微小，导致其灵敏度相对较低。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决现有技术存在的问题，提供一种多孔皮芯柔性压阻传感器及其熔融打印制备方法。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一种多孔皮芯柔性压阻传感器，由具有皮芯结构的线材层层堆叠而成，各线材的皮层为压阻材料，芯层为导电材料；各线材的皮层中分布有微孔，线材与线材之间分布有大孔。

4、同时含有微孔和大孔的压阻传感器相对于仅含有大孔的压阻传感器在受到外力作用时会产生更大的形变量，对外力响应表现出更高的灵敏度，这是因为：在相同压力作用下，对同时含有微孔和大孔的压阻传感器施加压力后，其体积的减小将产生更小的孔隙率和更密集的导电网络，微孔结构的存在引发掺杂的导电填料移近，材料内部互连导电路径数量的增加，使同时含有微孔和大孔的压阻传感器的电阻相比于仅含有大孔的压阻传感器的电阻下降的更多，从而使本发明具有更高的电阻变化率和灵敏度。

5、作为优选的技术方案：

6、如上所述的一种多孔皮芯柔性压阻传感器，压阻材料为含有发泡剂和导电填料的高分子聚合物(聚氨酯、聚烯烃弹性体、动态硫化聚烯烃弹性体、聚苯乙烯系弹性体、聚醚酯弹性体、聚酰胺弹性体)，导电材料为导电尼龙、导电聚氯乙烯、导电聚丙烯、导电聚乳酸、导电聚丙烯腈和导电热塑性弹性体中的一种以上；芯层的直径为0.05-0.5mm；皮层的厚度为0.1-0.65mm。

7、如上所述的一种多孔皮芯柔性压阻传感器，大孔的孔径范围为0.05-0.15mm，多孔皮芯柔性压阻传感器中大孔的体积占比为1％-10％。

8、如上所述的一种多孔皮芯柔性压阻传感器，微孔的孔径范围为10-150μm，各线材的皮层中微孔的体积占比为10％-50％。

9、如上所述的一种多孔皮芯柔性压阻传感器，微孔为纺锤形微孔，纺锤形的长度方向与线材长度方向一致；本发明在制备多孔皮芯柔性压阻传感器时，控制微孔在挤出打印过程中形成，如此可使得微孔受到牵伸作用形成纺锤形，纺锤形的长度方向与线材长度方向一致，即微孔定向排列、结构规则；如果在制备多孔皮芯柔性压阻传感器时，控制微孔在挤出打印结束后形成，则会使得微孔杂乱无章；对于同时含有微孔和大孔的压阻传感器而言，微孔定向排列、结构规则的压阻传感器相对于微孔杂乱无章的压阻传感器具有更高的灵敏度，这是因为微孔定向排列、结构规则时，有利于载流子的移动，载流子是自由移动的带有电荷的微粒，有利于载流子的移动会提高灵敏度；而微孔杂乱无章时，载流子的的移动相比于含定向排列、结构规则的微孔移动的慢，灵敏度较低，如图7所示。

10、如上所述的一种多孔皮芯柔性压阻传感器，多孔皮芯柔性压阻传感器的灵敏度因子为80-200mv/kpa，响应时间为20-60ms，恢复时间为20-60ms。

11、本发明还提供一种多孔皮芯柔性压阻传感器的熔融打印制备方法，将导电材料和含发泡剂的压阻材料经不同流道分别输送至3d打印机的同一喷嘴的内层和外层后挤出，挤出过程中控制喷嘴温度高于发泡剂的发泡温度，形成具有皮芯结构的线材后进行层层堆叠，制得多孔皮芯柔性压阻传感器；其中，导电材料从内层挤出，压阻材料从外层挤出。

12、作为优选的技术方案：

13、如上所述的一种多孔皮芯柔性压阻传感器的熔融打印制备方法，压阻材料和导电材料的热收缩性和热膨胀系数不同，在3d打印过程中二者从同一皮芯喷嘴挤出，受热条件一致，但传热和热应力释放速率不同，这会使二者在冷却过程中表现出不同的收缩量，相邻皮芯线材层间形成不同的层间大孔，在确保喷嘴温度高于发泡剂的发泡温度、压阻材料熔点和导电材料熔点的基础上，可通过调节喷嘴温度实现层间大孔的调控；此外，即便压阻材料和导电材料的热收缩性和热膨胀系数相同，还可通过调整打印角度、打印路径、打印填充率也可实现层间大孔调控。

14、如上所述的一种多孔皮芯柔性压阻传感器的熔融打印制备方法，压阻材料中发泡剂的含量为0.5-15wt％；挤出速度为10-40mm/s；

15、调节喷嘴温度和挤出速度可以在线调控微孔的大小；

16、在喷嘴挤出的过程中，喷嘴温度的高低对发泡剂的发泡效果有影响，在达到发泡剂的最大发泡量的温度时，微孔量不同；

17、线材的挤出速度的快慢会影响到微孔的形状及其大小，在挤出过程中，有一个牵伸的作用使微孔呈纺锤形，改变挤出速度可调控微孔形状，使其更接近于纺锤形，速度越快，纺锤形越标准；

18、发泡剂在压阻材料中均匀分散，打印过程中，发泡剂沿喷嘴移动方向排列，进而形成定向排列的微孔。

19、发明原理：

20、本发明将熔融沉积型3d打印技术和原位发泡技术结合制备压阻传感器件，利用熔融沉积型3d打印技术赋予器件层间多孔结构，利用原位发泡技术赋予器件熔丝内部微孔结构，具有层间大孔和熔丝内微孔的传感器件在受到外力作用时会产生更大的形变量，对外力响应表现出更高的灵敏度。此外，器件的多孔结构可灵活调控。

21、本发明利用具有皮芯结构的打印喷嘴，将两种聚合物线材从不同的流道分别输送至同一个喷嘴熔融挤出，挤出丝材呈现皮芯结构，其中芯层为导电材料，起支撑和电极作用；皮层为发泡剂、导电填料、高分子聚合物的复合压阻材料，在3d打印过程中原位发泡形成微孔结构，起传感作用。具有皮芯结构的丝材按照设计路径层层堆叠制备具有孔结构的压阻传感器，传感器的结构和大小可灵活设计，满足定制化需求。皮芯结构实现了电极和压阻材料的同步制备，有助于传感器件的一体化成型，根据计算机软件可灵活设计传感器的结构和大小。

22、对于器件孔结构的调控，可从两方面进行。对于层间大孔，利用两种材料对热传递的差异来调节层间孔隙。具体地，皮层和芯层材料可为不同种聚合物基体，二者具有不同的热收缩性和热膨胀系数，在3d打印过程中二者从同一皮芯喷嘴挤出，受热条件一致，但传热和热应力释放速率不同，这会使二者在冷却过程中表现出不同的收缩量，相邻皮芯线材层间形成不同的层间大孔，可在3d打印过程中即时调节温度来实现层间大孔的调控。

23、对于熔丝内微孔，利用3d打印工艺来调节微孔形状和大小。具体地，由发泡剂和聚合物组成的复合压阻材料经由原位发泡形成熔丝内微孔，调节温度和挤出速度可以在线调控微孔的大小，促使形成纺锤形微孔，有助于载流子的流通。此外，利用模型软设计，通过3d打印技术还可以实现微孔的定向排列，实现微小压力的及时响应。

24、有益效果：

25、(1)本发明利用3d打印技术与原位发泡技术相结合制备压阻传感器，使压阻传感器同时含有微孔和大孔，在受到外力作用时会产生更大的形变量，对外力响应表现出更高的灵敏度。

26、(2)本发明的一种多孔皮芯柔性压阻传感器的熔融打印制备方法通过调节喷嘴温度和挤出速度可以调控微孔的大小及形状，并且使微孔均匀分散定向排列，有利于提高灵敏度。