本發(fā)明屬于壓力傳感器制備，涉及一種纖維級(jí)壓力傳感器的3d打印制備方法。

背景技術(shù)：

1、隨著科技的飛速發(fā)展，對(duì)高精度、高穩(wěn)定性傳感器的需求日益增長(zhǎng)，特別是在智能穿戴、醫(yī)療健康、環(huán)境監(jiān)測(cè)以及航空航天等前沿領(lǐng)域。纖維級(jí)壓力傳感器以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，如高度集成的三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、靈活多變的圖案打印能力以及優(yōu)異的環(huán)境適應(yīng)性，成為了滿足這些需求的理想選擇。它不僅能夠顯著提升傳感器的靈敏度、響應(yīng)速度和耐用性，還能在極端條件下保持穩(wěn)定的性能輸出，為各領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。因此，加快纖維級(jí)壓力傳感器的研發(fā)與應(yīng)用，對(duì)于推動(dòng)科技進(jìn)步、促進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)以及提升人類生活質(zhì)量具有至關(guān)重要的意義。

2、當(dāng)前的濕法紡絲、熱壓、熔融紡絲等技術(shù)制備傳感器主要為三明治結(jié)構(gòu)，傳感層和電極層需粘合，一般用來(lái)輸出電荷的電極采用銀漿涂覆、粘貼導(dǎo)電膠帶、電鍍等方式，導(dǎo)致界面間粘結(jié)較差，大大影響了器件電荷的輸出，器件的靈敏度不高，且工藝流程長(zhǎng)，不能實(shí)現(xiàn)一體化構(gòu)筑傳感器件導(dǎo)致傳感器在極端條件下的穩(wěn)定性差，阻礙了壓力傳感器的廣泛應(yīng)用。

3、文獻(xiàn)（one-step?and?continuous?fabrication?of?coaxial?piezoelectricfiber?for?sensing?application;?chinese?journal?of?polymer?science;?2023,?41,1778-1785.）采用螺桿擠出技術(shù)制備一維同軸壓電纖維。首先，將細(xì)鋼絲穿過(guò)模具并固定在收集輥上，作為同軸壓電纖維的內(nèi)芯。然后，將聚偏氟乙烯（pvdf）粒料通過(guò)單螺桿擠出機(jī)熔融擠出，熔融后的pvdf材料通過(guò)收集輥以不同的速度進(jìn)行拉伸，從而得到了不同直徑的一維柔性同軸壓電纖維。隨后，將這些纖維進(jìn)一步加工并組裝成單電極彎曲振動(dòng)壓電傳感器。最后，通過(guò)編織工藝將其嵌入衣物中，使得該傳感器可用作可穿戴的自供電運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

4、上述文獻(xiàn)雖然在制備纖維級(jí)壓力傳感器方面取得了一定進(jìn)展，但仍面臨諸多挑戰(zhàn)與不足，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

5、1、纖維級(jí)壓力傳感器性能瓶頸：現(xiàn)有技術(shù)制備的纖維級(jí)壓力傳感器，盡管在特定應(yīng)用場(chǎng)景下展現(xiàn)出一定的功能性，但其靈敏度仍有待于進(jìn)一步提升。

6、2、直徑調(diào)控工藝繁瑣且損耗大：在制備過(guò)程中，通過(guò)調(diào)整收集輥的拉伸速度來(lái)控制纖維級(jí)壓力傳感器的直徑，雖然實(shí)現(xiàn)了一定范圍內(nèi)的可調(diào)性，但這一工藝過(guò)程相對(duì)繁瑣，需要精確控制拉伸速度及溫度等參數(shù)，且容易因操作不當(dāng)導(dǎo)致材料損耗增加，降低了生產(chǎn)效率與成本效益。

7、3、后處理工藝復(fù)雜且耗時(shí)：制得的一維纖維級(jí)壓力傳感器由于結(jié)構(gòu)上的限制，往往不能直接應(yīng)用于復(fù)雜形狀或特殊結(jié)構(gòu)的傳感器構(gòu)建中。為實(shí)現(xiàn)螺旋結(jié)構(gòu)、三維網(wǎng)絡(luò)等特殊結(jié)構(gòu)，必須進(jìn)行后續(xù)的熱定型、編織等復(fù)雜處理工藝。

8、因此，有必要尋求新的制備技術(shù)和方法，以簡(jiǎn)化制備流程、提高生產(chǎn)效率、降低材料損耗，并進(jìn)一步提升纖維級(jí)壓力傳感器的性能，從而推動(dòng)其在更廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，提供一種纖維級(jí)壓力傳感器的3d打印制備方法。

2、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

3、一種纖維級(jí)壓力傳感器的3d打印制備方法，采用3d打印的方法，將超細(xì)金屬絲（超細(xì)銅絲、超細(xì)銀絲、超細(xì)金絲、超細(xì)鉑絲等）和壓力高分子材料從同一個(gè)打印噴嘴擠出，即得纖維級(jí)壓力傳感器；

4、打印噴嘴內(nèi)的流道由豎直流道和傾斜流道組成，豎直流道分為上下兩段，豎直流道的上段的中部與傾斜流道的下端連接，豎直流道的上段內(nèi)設(shè)有導(dǎo)絲棒，導(dǎo)絲棒和豎直流道的上段之間留有間隙，導(dǎo)絲棒內(nèi)設(shè)有供超細(xì)金屬絲穿過(guò)的導(dǎo)絲孔，超細(xì)金屬絲從豎直流道的上端進(jìn)入，壓力高分子材料從傾斜流道的上端進(jìn)入，二者在豎直流道的下段內(nèi)復(fù)合，壓力高分子材料包裹超細(xì)金屬絲形成結(jié)構(gòu)；

5、超細(xì)金屬絲的直徑為0.01-0.03mm。

6、本發(fā)明采用3d打印的方法制備纖維級(jí)壓力傳感器解決了現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，原因如下：

7、3d打印過(guò)程中需要施加電壓，電壓可導(dǎo)致一些壓力高分子材料（例如壓電高分子材料）的分子鏈極化，形成有序排列，提高結(jié)晶度，提升壓力高分子材料的性能，得到高輸出電壓以及高靈敏度的纖維級(jí)壓力傳感器。

8、3d打印技術(shù)可直接控制纖維級(jí)壓力傳感器的直徑，可直接打印成金字塔結(jié)構(gòu)、蜂窩結(jié)構(gòu)、編織結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)。3d打印技術(shù)可以直接通過(guò)調(diào)節(jié)打印工藝增加孔結(jié)構(gòu)提升靈敏度，擴(kuò)大傳感器件檢測(cè)范圍。

9、以超細(xì)金屬絲和壓力高分子材料為原料，采用3d打印的方法制備纖維級(jí)壓力傳感器存在一個(gè)難題——超細(xì)金屬絲太輕太細(xì)進(jìn)入流道困難，無(wú)法進(jìn)行定位，超細(xì)金屬絲容易浮在纖維級(jí)壓力傳感器的表面。本發(fā)明通過(guò)重新設(shè)計(jì)打印噴嘴的結(jié)構(gòu)、增設(shè)導(dǎo)絲棒解決了該難題。

10、作為優(yōu)選的技術(shù)方案：

11、如上所述的一種纖維級(jí)壓力傳感器的3d打印制備方法，豎直流道、傾斜流道、導(dǎo)絲棒均為圓柱狀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)絲棒的直徑為豎直流道的直徑的1/5-2/5，豎直流道的直徑為0.1-0.5mm，傾斜流道的直徑為1.75mm或3mm。

12、如上所述的一種纖維級(jí)壓力傳感器的3d打印制備方法，豎直流道和傾斜流道的夾角為60°。

13、如上所述的一種纖維級(jí)壓力傳感器的3d打印制備方法，豎直流道的上段中，位于傾斜流道的下端上方的長(zhǎng)度段記為上上段，位于傾斜流道的下端下方的長(zhǎng)度段記為上下段，上上段、上下段、豎直流道的下段的長(zhǎng)度比為4:3:3。

14、如上所述的一種纖維級(jí)壓力傳感器的3d打印制備方法，導(dǎo)絲棒與豎直流道的上段等長(zhǎng)。

15、如上所述的一種纖維級(jí)壓力傳感器的3d打印制備方法，導(dǎo)絲孔的直徑比超細(xì)金屬絲的直徑大0.01mm；超細(xì)金屬絲和導(dǎo)絲孔的數(shù)量均為1、2或3，1根超細(xì)金屬絲穿過(guò)1個(gè)導(dǎo)絲孔；本發(fā)明利用導(dǎo)絲孔的位置控制超細(xì)金屬絲的分布，從而實(shí)現(xiàn)超細(xì)金屬絲在纖維級(jí)壓力傳感器中的定向分布。

16、如上所述的一種纖維級(jí)壓力傳感器的3d打印制備方法，3d打印的工藝參數(shù)包括：電場(chǎng)電壓20kv，填充率60%-100%，分層厚度0.2-0.4mm；3d打印的填充路徑為直線、蜂窩、方波、編織結(jié)構(gòu)或同心圓；當(dāng)填充路徑為直線時(shí)，打印角度為0°、90°或±45°。

17、如上所述的一種纖維級(jí)壓力傳感器的3d打印制備方法，壓力高分子材料為pvdf、聚丙烯腈（pan）、左旋聚乳酸（plla）或含壓電填料（鈦酸鋇、氧化鋅、碳納米管）的熱塑性聚合物（pla）等壓電高分子材料；纖維級(jí)壓力傳感器為纖維級(jí)壓電傳感器，靈敏度為2-8v/kpa，檢測(cè)范圍為1-75kpa。

18、如上所述的一種纖維級(jí)壓力傳感器的3d打印制備方法，壓力高分子材料為聚乙烯類彈性體、聚己內(nèi)酯、聚酰胺彈性體或含導(dǎo)電填料（炭黑、碳納米管、銀納米線）的熱塑性聚氨酯彈性體等壓阻高分子材料；纖維級(jí)壓力傳感器為纖維級(jí)壓阻傳感器，靈敏度為80-160kpa-1，檢測(cè)范圍為1-180kpa。

19、有益效果

20、（1）本發(fā)明通過(guò)3d打印過(guò)程中施加電壓使壓力高分子材料分子鏈極化形成有序排列，提高結(jié)晶度，從而提升壓力高分子材料的性能，得到高輸出電壓以及高靈敏度的纖維級(jí)壓力傳感器。同時(shí)，3d打印技術(shù)可精確控制傳感器直徑，并打印復(fù)雜結(jié)構(gòu)，滿足多樣化應(yīng)用需求。

21、（2）本發(fā)明重新設(shè)計(jì)打印噴嘴結(jié)構(gòu)，增設(shè)導(dǎo)絲棒，解決了超細(xì)金屬絲太輕太細(xì)進(jìn)入流道困難、無(wú)法定位且易浮在傳感器表面的難題，實(shí)現(xiàn)了超細(xì)金屬絲在纖維級(jí)壓力傳感器中的定向分布。

22、（3）本發(fā)明無(wú)需進(jìn)行復(fù)雜的后處理工藝，簡(jiǎn)化了制備流程，提高了生產(chǎn)效率，降低了材料損耗，推動(dòng)了纖維級(jí)壓力傳感器在智能穿戴、醫(yī)療健康、環(huán)境監(jiān)測(cè)以及航空航天等領(lǐng)域的更廣泛應(yīng)用。