軟結(jié)構(gòu)的紡織品或軟商品在空天工業(yè)中被用于充氣棲息地、降落傘和減速器系統(tǒng)。通過結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng) (SHM，Structural Health Monitoring Systems) 評估這些系統(tǒng)的安全性和結(jié)構(gòu)完整性，該系統(tǒng)集成了非侵入性/非破壞性測試方法來檢測、診斷和定位損壞。

在使用傳統(tǒng)應變儀時，這些系統(tǒng)的應變/負載監(jiān)測受到限制，因為這些應變儀通常很硬，在低溫下運行，并且在承受高應變時失效，這是由于高負載將它們分級為不適合軟結(jié)構(gòu)紡織品的 SHM。

對于這項工作，基于電容的應變儀 (CSG) 是通過氣溶膠噴射打印 (AJP) 在柔性聚合物基板上使用銀納米粒子墨水制造的。然后將打印的應變儀與市售的基于高拉伸阻力的應變儀 (HE-RSG，High Elongation Resistance-based Strain Gauge) 進行比較，以了解其監(jiān)測具有 26.7 kN (6klbf) 負載的應變 Kevlar 帶的能力。

動態(tài)、靜態(tài)和循環(huán)載荷用于表征兩種類型的應變監(jiān)測設(shè)備。與常用的 HE-RSG 相比，打印的 CSG 在高伸長應變測量方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，并且當電極排列垂直于應變方向時，觀察到其以 5.2 的應變系數(shù)工作。

引言

柔軟的結(jié)構(gòu)紡織品，也稱為軟制品，重量輕，強度高，對于充氣棲息地、降落傘和減速器系統(tǒng)的航天工業(yè)特別感興趣。與金屬合金和剛性復合材料等傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料相比，這些技術(shù)紡織品的優(yōu)勢在于它們顯著節(jié)省了質(zhì)量和體積。

除了好處之外，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測 (SHM) 的非破壞性/非侵入性測試方法的需要也帶來了復雜性，這需要能夠測量非常高的應變率的監(jiān)測系統(tǒng)。用于充氣棲息地、降落傘和減速系統(tǒng)的 SHM 系統(tǒng)用于確保機組人員的安全，旨在建立緊急通知系統(tǒng)，并實現(xiàn)智能進入、下降和著陸 (EDL) 操作。理想情況下，適用于這些應用的 SHM 系統(tǒng)將提供對應變/負載的連續(xù)監(jiān)測，以實時檢測、診斷和定位損壞，以進行連續(xù)監(jiān)測以及事故發(fā)生后。

檢測機械變形是通過各種傳感機制實現(xiàn)的，如電容、電阻或壓電特性。然而，最廣泛使用的應變傳感設(shè)備是基于電阻的應變計（RSG）。傳統(tǒng)上，應變計適用于金屬，它們使用相對堅硬的基底，在必須進行校正之前在室溫下最有效地工作，應變低于 5%，在長期測試中顯示滯后，并在更高應變下發(fā)生機械故障。當考慮軟結(jié)構(gòu)材料時，應變計必須能夠承受與高負荷材料相關(guān)的高應變率（5–50%），但傳統(tǒng)應變計的固有剛度會導致設(shè)備故障，并將其歸類為不適合軟結(jié)構(gòu)材料的檢查。更流行的 RSG 的其他局限性在于電阻率對工作溫度和施加應變的依賴性。

這種依賴性會導致非線性應變響應和由可變靈敏度引起的設(shè)備滯后，因為在測試期間，量規(guī)系數(shù)不保持恒定。最后，傳統(tǒng)應變傳感器的制造過程復雜，制造成本高，材料浪費，限制了其應用和發(fā)展。因此，開發(fā)軟結(jié)構(gòu)材料的應變傳感方法需要能夠制造具有高柔性和魯棒性的設(shè)備，使其能夠承受包括高應變和高溫在內(nèi)的惡劣環(huán)境。

基于電容的應變儀 (CSG) 提供了一種強大的傳感機制，能夠解決與 RSG 的電阻率滯后相關(guān)的性能問題。CSG 在很大程度上取決于電極和介電層之間的幾何變化，在循環(huán)測試期間通常不會遭受永久塑性變形。這些設(shè)備通常包括平行板電容器或叉指電極設(shè)計。CSG 可用于許多與 RSG 相同的應用，通常顯示的更高應變系數(shù)，同時還降低了對噪聲和溫度的敏感度。

目前，商業(yè) CSG 是可用的，通常由平行板設(shè)計組成，將應變測量限制在垂直于測量方向的應變測量，它們可以監(jiān)控的幾何形狀受到限制，或者需要笨重的機電設(shè)備來進行機械連接。這些問題可以通過使用具有叉指電極設(shè)計的 CSG 來克服。叉指電極保留了 CSG 與 RSG 在惡劣環(huán)境中相關(guān)的優(yōu)勢，同時提供一種工具，通過該工具，CSG 可以直接集成到結(jié)構(gòu)部件上。

之前使用柔性應變計對 Kevlar 織帶進行了測試，得出的結(jié)論是，CSG 在動態(tài)和長期加載條件下的性能優(yōu)于 RSG，類似于本工作3中研究的情況。最后，使用電容作為傳感機制使傳感器更適合需要無線應變傳感器測量的應用。在智能下降和著陸（EDL）運行期間，這對SHM 非常有利。

引入軟結(jié)構(gòu)材料 SHM 所需的靈活性，可以通過利用打印和柔性電子產(chǎn)品增材制造的最新進展來實現(xiàn)。諸如氣溶膠噴射打印 (AJP) 等增材制造技術(shù)是相對簡單和低成本的制造工藝，可用于制造柔性 CSG，其中用于柔性應用的典型基材包括聚酰亞胺（polyimide）、聚對苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate）和聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane）。

打印電子技術(shù)涉及使用納米顆粒懸浮液或油墨形式的功能材料，然后將其沉積到易變聚合物背襯上。沉積后，除去溶劑和分散/封端劑以產(chǎn)生功能裝置，然后將其連接到使用者的衣服或皮膚上。這種橫切技術(shù)展示了軟結(jié)構(gòu)材料 SHM 的巨大潛力，因為這些設(shè)備的功能取決于它們的高靈活性、長耐久性、快速響應、快速恢復時間和高應變敏感性。

氣溶膠噴射（Aerosol Jet Printing）3D 打印技術(shù)是一種非接觸式沉積，基于油墨的霧化形成沉積在基材上的細霧或氣溶膠。AJP 工藝消除了與傳統(tǒng)制造方法相關(guān)的許多限制，它引入了使用各種材料（如金屬納米顆粒、碳納米材料、功能陶瓷、半導體、生物分子和其他功能材料）打印的能力，因為墨水的范圍可以從 1 - 2500 cP。

此外，設(shè)備設(shè)計不再受材料或幾何形狀的限制，因為 AJP 引入了在各種基板/表面上打印的能力，并提供了從 10 μm 到 5mm 的各種特征尺寸。憑借實現(xiàn)更高打印分辨率的能力，AJP 有可能通過最大化結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計空間來提高設(shè)備靈敏度，并為傳感器制造提供低成本選擇。

結(jié)果打印CSG設(shè)計

軍用級 Kevlar 織帶用于建造充氣棲息地和降落傘，測量這些結(jié)構(gòu)承受的應變能力對NASA 來說是一個挑戰(zhàn)。為了制作電容式應變計，采用了叉指結(jié)構(gòu)，其工作方式與串聯(lián)多個平行板電容器類似。設(shè)備布局的示意圖如圖 1a 所示，實際打印傳感器的光學圖像如圖 1b所示。電容是一種交叉結(jié)構(gòu)的結(jié)果，跨越 3.6 cm 和 1.6 cm，有 50 個數(shù)字對或 100 個總電極。選擇這些特定的設(shè)計參數(shù)是為了最大化理論電容和傳感面積。

此外，尺寸限制與氣溶膠噴射打印技術(shù)和 2.54 cm 寬的 Kevlar 織帶的性能有關(guān)。使用銀環(huán)氧樹脂將銅線引線連接到設(shè)備上，并使用介電常數(shù)為 5.70 的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）作為保護層和電極之間的電介質(zhì)，以提高設(shè)備電容，而不是在空氣具有相同功能的情況下。最后，選擇 Kapton（FPC 5 mil，125 μm）作為柔性基板，因為當承受最大負載能力時，它能夠承受遠遠高于

Kevlar 帶最大伸長率的伸長率。CSG 使用通用駁船水泥（APBC）連接到 Kevlar 帶上。

圖文導讀

圖1. 打印柔性叉指電極電容式應變計的設(shè)計。a 具有包含 50 個數(shù)字對的叉指電極結(jié)構(gòu)的傳感器配置示意圖，b 連接到 Kevlar 帶的 Kapton 基板上的電容應變計的光學圖像（比例尺代表 1 cm）。

圖2. 描繪氣溶膠噴射打印沉積的銀線形態(tài)的顯微照片。a 和 b 聚酰亞胺基板上銀應變計的光學顯微鏡圖像（比例尺代表 250 μm），以及 AJP 在聚酰亞胺上沉積銀電極的 c 光學輪廓圖。橫截面掃描電子顯微鏡表征顯示 d 銀電極代表 AJP 沉積應變計（比例尺代表 50 μm），e PMMA 電介質(zhì)厚度（比例尺代表 10 μm）和 f 打印銀厚度（比例尺代表 2.5 μm）。

圖3. 打印 CSG 叉指電極結(jié)構(gòu)的器件設(shè)計參數(shù)。a 詳細說明用于計算理論電容的變量的示意圖，以及與這些變量相關(guān)的 b 值，其中尺寸值報告為具有代表整個設(shè)備的測量值的標準偏差的平均值。

圖4. 基于打印電容的應變計動態(tài)、靜態(tài)和循環(huán)拉伸測試結(jié)果。打印 CSG 的電容相對變化（%），其中總共有七個不同的裝置（表1）用于動態(tài)（裝置 a-e）、靜態(tài)（裝置 a-e）或循環(huán)（裝置 f、g）測試。對于電極 a 垂直于應變方向（裝置 a-c）且電極 b 平行于應變方向（裝置 d-e）的裝置，在 18.7 kN 的目標載荷下進行動態(tài)試驗的結(jié)果。對于電極 c 垂直于應變方向（裝置 a-c）和 d 平行于應變方向（裝置 d-e）的相同裝置，在 18.7 kN 下進行的靜態(tài)試驗的結(jié)果，以及電極垂直于應變方向的兩個不同裝置（f、g）的循環(huán)試驗的結(jié)果。誤差條是估計的實驗不確定度（補充討論）。在所有圖像中，比例尺代表 1.0 cm。

圖5. 商用電阻應變計的應變響應。在以 44.5 N/s的斜率進行動態(tài)試驗期間，商業(yè) RSG的應變響應（其電極平行于應變方向布置），在 18.7 kN的載荷下進行b靜態(tài)試驗，在5.3 kN和10.7 kN的載荷下進行c循環(huán)試驗。誤差條是估計的實驗不確定度（補充討論）。比例尺代表4.0毫米。

討論通過氣溶膠噴射（Aerosol Jet）打印技術(shù)，以銀為電容材料，PMMA為電介質(zhì)，制作了電容式應變計。打印 CSG 的起始電容值在 42pF 到 15nF 之間。采用柔性基材 Kapton，為這些裝置提供所需的柔性，以承受高負載/應變，通用駁船水泥用作 Kapton 和 Kevlar 帶之間的粘合劑。對電極沿垂直方向或平行于應變方向的布置進行動態(tài)和靜態(tài)測試，并使用垂直布置進行循環(huán)測試。

此外，在相同條件下，利用相同的連接策略對 RSG 進行測試，以比較其對打印 CSG 的響應，并評估其對軟結(jié)構(gòu)材料 SHM 的適用性。啟動電容在 nF 范圍內(nèi)的器件顯示出最高的靈敏度，對于電極垂直于應變方向布置的器件，獲得了 5.2 的應變系數(shù)。最后，與商用 HE-RSG 相比，打印 CSG 在靜態(tài)、動態(tài)和循環(huán)事件中表現(xiàn)更好，因此被確定為更適合高伸長率應用的候選材料。


方法

器件制造

叉指式 CSG 裝置的布局如圖 1a 所示。器件制造始于將 SicrysTM 160PM-116（PV Nanocell）沉積到 125 μm 厚的 DuPont Kapton（FPC）上。打印是通過配備 200μm 噴嘴的Optomec 的 Aerosol Jet 200 的氣動霧化器（PA）實現(xiàn)的。打印時，將油墨保持在 23°C 以穩(wěn)定油墨，并將打印薄膜在 300°C下加熱 30 分鐘以去除任何殘留溶劑。

對工具壓板溫度、噴嘴直徑、氣動霧化器、氣動排氣和護套氣流進行了優(yōu)化，以確保功能材料的線寬和材料沉積足以獲得導電痕跡。使用銀環(huán)氧樹脂（Epotek，H20E）將 30 號銅線粘附到打印接觸墊上，并在設(shè)備表面滴涂一層 950 PMMA A11（Kayaku Advanced Materials，Inc.）作為電介質(zhì)。打印的 CSG 和市面上采購的 HE-RSG（HBM，Inc.）裝置均與 Kevlar 帶相連，Kevlar帶的最大承載能力約為 27 kN（6 klbf），帶有通用駁船水泥。

原論文鏈接：

npj Flexible Electronics (2020) 4:32 ;

https://doi.org/10.1038/s41528-020-00095-4

文章轉(zhuǎn)載自：云尚智造

軟結(jié)構(gòu)的紡織品或軟商品在空天工業(yè)中被用于充氣棲息地、降落傘和減速器系統(tǒng)。通過結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng) (SHM，Structural Health Monitoring Systems) 評估這些系統(tǒng)的安全性和結(jié)構(gòu)完整性，該系統(tǒng)集成了非侵入性/非破壞性測試方法來檢測、診斷和定位損壞。

在使用傳統(tǒng)應變儀時，這些系統(tǒng)的應變/負載監(jiān)測受到限制，因為這些應變儀通常很硬，在低溫下運行，并且在承受高應變時失效，這是由于高負載將它們分級為不適合軟結(jié)構(gòu)紡織品的 SHM。

對于這項工作，基于電容的應變儀 (CSG) 是通過氣溶膠噴射打印 (AJP) 在柔性聚合物基板上使用銀納米粒子墨水制造的。然后將打印的應變儀與市售的基于高拉伸阻力的應變儀 (HE-RSG，High Elongation Resistance-based Strain Gauge) 進行比較，以了解其監(jiān)測具有 26.7 kN (6klbf) 負載的應變 Kevlar 帶的能力。

動態(tài)、靜態(tài)和循環(huán)載荷用于表征兩種類型的應變監(jiān)測設(shè)備。與常用的 HE-RSG 相比，打印的 CSG 在高伸長應變測量方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，并且當電極排列垂直于應變方向時，觀察到其以 5.2 的應變系數(shù)工作。

引言

柔軟的結(jié)構(gòu)紡織品，也稱為軟制品，重量輕，強度高，對于充氣棲息地、降落傘和減速器系統(tǒng)的航天工業(yè)特別感興趣。與金屬合金和剛性復合材料等傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料相比，這些技術(shù)紡織品的優(yōu)勢在于它們顯著節(jié)省了質(zhì)量和體積。

除了好處之外，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測 (SHM) 的非破壞性/非侵入性測試方法的需要也帶來了復雜性，這需要能夠測量非常高的應變率的監(jiān)測系統(tǒng)。用于充氣棲息地、降落傘和減速系統(tǒng)的 SHM 系統(tǒng)用于確保機組人員的安全，旨在建立緊急通知系統(tǒng)，并實現(xiàn)智能進入、下降和著陸 (EDL) 操作。理想情況下，適用于這些應用的 SHM 系統(tǒng)將提供對應變/負載的連續(xù)監(jiān)測，以實時檢測、診斷和定位損壞，以進行連續(xù)監(jiān)測以及事故發(fā)生后。

檢測機械變形是通過各種傳感機制實現(xiàn)的，如電容、電阻或壓電特性。然而，最廣泛使用的應變傳感設(shè)備是基于電阻的應變計（RSG）。傳統(tǒng)上，應變計適用于金屬，它們使用相對堅硬的基底，在必須進行校正之前在室溫下最有效地工作，應變低于 5%，在長期測試中顯示滯后，并在更高應變下發(fā)生機械故障。當考慮軟結(jié)構(gòu)材料時，應變計必須能夠承受與高負荷材料相關(guān)的高應變率（5–50%），但傳統(tǒng)應變計的固有剛度會導致設(shè)備故障，并將其歸類為不適合軟結(jié)構(gòu)材料的檢查。更流行的 RSG 的其他局限性在于電阻率對工作溫度和施加應變的依賴性。

這種依賴性會導致非線性應變響應和由可變靈敏度引起的設(shè)備滯后，因為在測試期間，量規(guī)系數(shù)不保持恒定。最后，傳統(tǒng)應變傳感器的制造過程復雜，制造成本高，材料浪費，限制了其應用和發(fā)展。因此，開發(fā)軟結(jié)構(gòu)材料的應變傳感方法需要能夠制造具有高柔性和魯棒性的設(shè)備，使其能夠承受包括高應變和高溫在內(nèi)的惡劣環(huán)境。

基于電容的應變儀 (CSG) 提供了一種強大的傳感機制，能夠解決與 RSG 的電阻率滯后相關(guān)的性能問題。CSG 在很大程度上取決于電極和介電層之間的幾何變化，在循環(huán)測試期間通常不會遭受永久塑性變形。這些設(shè)備通常包括平行板電容器或叉指電極設(shè)計。CSG 可用于許多與 RSG 相同的應用，通常顯示的更高應變系數(shù)，同時還降低了對噪聲和溫度的敏感度。

目前，商業(yè) CSG 是可用的，通常由平行板設(shè)計組成，將應變測量限制在垂直于測量方向的應變測量，它們可以監(jiān)控的幾何形狀受到限制，或者需要笨重的機電設(shè)備來進行機械連接。這些問題可以通過使用具有叉指電極設(shè)計的 CSG 來克服。叉指電極保留了 CSG 與 RSG 在惡劣環(huán)境中相關(guān)的優(yōu)勢，同時提供一種工具，通過該工具，CSG 可以直接集成到結(jié)構(gòu)部件上。

之前使用柔性應變計對 Kevlar 織帶進行了測試，得出的結(jié)論是，CSG 在動態(tài)和長期加載條件下的性能優(yōu)于 RSG，類似于本工作3中研究的情況。最后，使用電容作為傳感機制使傳感器更適合需要無線應變傳感器測量的應用。在智能下降和著陸（EDL）運行期間，這對SHM 非常有利。

引入軟結(jié)構(gòu)材料 SHM 所需的靈活性，可以通過利用打印和柔性電子產(chǎn)品增材制造的最新進展來實現(xiàn)。諸如氣溶膠噴射打印 (AJP) 等增材制造技術(shù)是相對簡單和低成本的制造工藝，可用于制造柔性 CSG，其中用于柔性應用的典型基材包括聚酰亞胺（polyimide）、聚對苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate）和聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane）。

打印電子技術(shù)涉及使用納米顆粒懸浮液或油墨形式的功能材料，然后將其沉積到易變聚合物背襯上。沉積后，除去溶劑和分散/封端劑以產(chǎn)生功能裝置，然后將其連接到使用者的衣服或皮膚上。這種橫切技術(shù)展示了軟結(jié)構(gòu)材料 SHM 的巨大潛力，因為這些設(shè)備的功能取決于它們的高靈活性、長耐久性、快速響應、快速恢復時間和高應變敏感性。

氣溶膠噴射（Aerosol Jet Printing）3D 打印技術(shù)是一種非接觸式沉積，基于油墨的霧化形成沉積在基材上的細霧或氣溶膠。AJP 工藝消除了與傳統(tǒng)制造方法相關(guān)的許多限制，它引入了使用各種材料（如金屬納米顆粒、碳納米材料、功能陶瓷、半導體、生物分子和其他功能材料）打印的能力，因為墨水的范圍可以從 1 - 2500 cP。

此外，設(shè)備設(shè)計不再受材料或幾何形狀的限制，因為 AJP 引入了在各種基板/表面上打印的能力，并提供了從 10 μm 到 5mm 的各種特征尺寸。憑借實現(xiàn)更高打印分辨率的能力，AJP 有可能通過最大化結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計空間來提高設(shè)備靈敏度，并為傳感器制造提供低成本選擇。

結(jié)果打印CSG設(shè)計

軍用級 Kevlar 織帶用于建造充氣棲息地和降落傘，測量這些結(jié)構(gòu)承受的應變能力對NASA 來說是一個挑戰(zhàn)。為了制作電容式應變計，采用了叉指結(jié)構(gòu)，其工作方式與串聯(lián)多個平行板電容器類似。設(shè)備布局的示意圖如圖 1a 所示，實際打印傳感器的光學圖像如圖 1b所示。電容是一種交叉結(jié)構(gòu)的結(jié)果，跨越 3.6 cm 和 1.6 cm，有 50 個數(shù)字對或 100 個總電極。選擇這些特定的設(shè)計參數(shù)是為了最大化理論電容和傳感面積。

此外，尺寸限制與氣溶膠噴射打印技術(shù)和 2.54 cm 寬的 Kevlar 織帶的性能有關(guān)。使用銀環(huán)氧樹脂將銅線引線連接到設(shè)備上，并使用介電常數(shù)為 5.70 的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）作為保護層和電極之間的電介質(zhì)，以提高設(shè)備電容，而不是在空氣具有相同功能的情況下。最后，選擇 Kapton（FPC 5 mil，125 μm）作為柔性基板，因為當承受最大負載能力時，它能夠承受遠遠高于

Kevlar 帶最大伸長率的伸長率。CSG 使用通用駁船水泥（APBC）連接到 Kevlar 帶上。

圖文導讀

圖1. 打印柔性叉指電極電容式應變計的設(shè)計。a 具有包含 50 個數(shù)字對的叉指電極結(jié)構(gòu)的傳感器配置示意圖，b 連接到 Kevlar 帶的 Kapton 基板上的電容應變計的光學圖像（比例尺代表 1 cm）。

圖2. 描繪氣溶膠噴射打印沉積的銀線形態(tài)的顯微照片。a 和 b 聚酰亞胺基板上銀應變計的光學顯微鏡圖像（比例尺代表 250 μm），以及 AJP 在聚酰亞胺上沉積銀電極的 c 光學輪廓圖。橫截面掃描電子顯微鏡表征顯示 d 銀電極代表 AJP 沉積應變計（比例尺代表 50 μm），e PMMA 電介質(zhì)厚度（比例尺代表 10 μm）和 f 打印銀厚度（比例尺代表 2.5 μm）。

圖3. 打印 CSG 叉指電極結(jié)構(gòu)的器件設(shè)計參數(shù)。a 詳細說明用于計算理論電容的變量的示意圖，以及與這些變量相關(guān)的 b 值，其中尺寸值報告為具有代表整個設(shè)備的測量值的標準偏差的平均值。

圖4. 基于打印電容的應變計動態(tài)、靜態(tài)和循環(huán)拉伸測試結(jié)果。打印 CSG 的電容相對變化（%），其中總共有七個不同的裝置（表1）用于動態(tài)（裝置 a-e）、靜態(tài)（裝置 a-e）或循環(huán)（裝置 f、g）測試。對于電極 a 垂直于應變方向（裝置 a-c）且電極 b 平行于應變方向（裝置 d-e）的裝置，在 18.7 kN 的目標載荷下進行動態(tài)試驗的結(jié)果。對于電極 c 垂直于應變方向（裝置 a-c）和 d 平行于應變方向（裝置 d-e）的相同裝置，在 18.7 kN 下進行的靜態(tài)試驗的結(jié)果，以及電極垂直于應變方向的兩個不同裝置（f、g）的循環(huán)試驗的結(jié)果。誤差條是估計的實驗不確定度（補充討論）。在所有圖像中，比例尺代表 1.0 cm。

圖5. 商用電阻應變計的應變響應。在以 44.5 N/s的斜率進行動態(tài)試驗期間，商業(yè) RSG的應變響應（其電極平行于應變方向布置），在 18.7 kN的載荷下進行b靜態(tài)試驗，在5.3 kN和10.7 kN的載荷下進行c循環(huán)試驗。誤差條是估計的實驗不確定度（補充討論）。比例尺代表4.0毫米。

討論通過氣溶膠噴射（Aerosol Jet）打印技術(shù)，以銀為電容材料，PMMA為電介質(zhì)，制作了電容式應變計。打印 CSG 的起始電容值在 42pF 到 15nF 之間。采用柔性基材 Kapton，為這些裝置提供所需的柔性，以承受高負載/應變，通用駁船水泥用作 Kapton 和 Kevlar 帶之間的粘合劑。對電極沿垂直方向或平行于應變方向的布置進行動態(tài)和靜態(tài)測試，并使用垂直布置進行循環(huán)測試。

此外，在相同條件下，利用相同的連接策略對 RSG 進行測試，以比較其對打印 CSG 的響應，并評估其對軟結(jié)構(gòu)材料 SHM 的適用性。啟動電容在 nF 范圍內(nèi)的器件顯示出最高的靈敏度，對于電極垂直于應變方向布置的器件，獲得了 5.2 的應變系數(shù)。最后，與商用 HE-RSG 相比，打印 CSG 在靜態(tài)、動態(tài)和循環(huán)事件中表現(xiàn)更好，因此被確定為更適合高伸長率應用的候選材料。


方法

器件制造

叉指式 CSG 裝置的布局如圖 1a 所示。器件制造始于將 SicrysTM 160PM-116（PV Nanocell）沉積到 125 μm 厚的 DuPont Kapton（FPC）上。打印是通過配備 200μm 噴嘴的Optomec 的 Aerosol Jet 200 的氣動霧化器（PA）實現(xiàn)的。打印時，將油墨保持在 23°C 以穩(wěn)定油墨，并將打印薄膜在 300°C下加熱 30 分鐘以去除任何殘留溶劑。

對工具壓板溫度、噴嘴直徑、氣動霧化器、氣動排氣和護套氣流進行了優(yōu)化，以確保功能材料的線寬和材料沉積足以獲得導電痕跡。使用銀環(huán)氧樹脂（Epotek，H20E）將 30 號銅線粘附到打印接觸墊上，并在設(shè)備表面滴涂一層 950 PMMA A11（Kayaku Advanced Materials，Inc.）作為電介質(zhì)。打印的 CSG 和市面上采購的 HE-RSG（HBM，Inc.）裝置均與 Kevlar 帶相連，Kevlar帶的最大承載能力約為 27 kN（6 klbf），帶有通用駁船水泥。

原論文鏈接：

npj Flexible Electronics (2020) 4:32 ;

https://doi.org/10.1038/s41528-020-00095-4

文章轉(zhuǎn)載自：云尚智造