隨著柔性電子領(lǐng)域的快速發(fā)展和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及，能夠用來監(jiān)測人類生理指標(biāo)（如心跳、脈搏、運(yùn)動(dòng)周期、血壓等）和機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)（如主軸跳動(dòng)、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)感知等）信號(hào)的可穿戴電子器件逐漸應(yīng)用到社會(huì)生活中。

可穿戴電子器件的共形設(shè)計(jì)和制造使其在電子皮膚、柔性傳感和人工智能中具有潛在的應(yīng)用前景。當(dāng)前，大多數(shù)電子器件是利用光刻、壓印技術(shù)和電子束在硅表面進(jìn)行制備。然而由于缺乏彎曲表面的加工工藝，要制備與復(fù)雜曲線表面（例如人體關(guān)節(jié)）共形的電子器件尤為困難。

面投影微立體光刻3D打印技術(shù)（PμSL）可快速制造并成型任意形狀和可設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，為三維共形柔性電子器件的制造提供了靈活性和簡便性。然而，考慮到柔性材料的成型工藝與功能特性，傳統(tǒng)的制造工藝限制了功能材料的設(shè)計(jì)范圍，降低了微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與成型尺度，制約了功能器件的成型和性能提升的范圍。

圖1 論文工作的摘要圖

近日，西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院陳小明、李寶童、邵金友教授等研究人員，從功能壓電納米復(fù)合材料的改性與壓電器件的微結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化等兩方面出發(fā)，利用面投影微立體光刻3D打印技術(shù)（nanoArch S140，10μm精度，深圳摩方），通過設(shè)計(jì)并調(diào)節(jié)壓電氮化硼納米管材料（BNNTs）和光敏聚合物樹脂的界面相容性，結(jié)合拓?fù)鋬?yōu)化微結(jié)構(gòu)方法，實(shí)現(xiàn)了具有高靈敏度、寬響應(yīng)，且結(jié)構(gòu)可覆形的柔性壓電傳感器制造。

該研究以“3D printed piezoelectric BNNTs nanocomposites with tunable interface and microarchitectures for self-powered conformal sensors"為題發(fā)表在國際高水平期刊《Nano Energy》上，為高性能可穿戴柔性壓電傳感器件的設(shè)計(jì)與制造提供了新思路。

工作要點(diǎn)一：功能納米復(fù)合材料（BNNTs）的表面改性與材料制備，超低負(fù)載量（0.2wt%）的納米復(fù)合材料表現(xiàn)出出色的壓電性能：

圖2 功能納米復(fù)合材料（BNNTs）的設(shè)計(jì)、改性與表征：

a）BNNTs表面功能化工藝；（b）原始BNNTs/功能化BNNTs和樹脂基體界面力學(xué)行為示意圖；（c）極化與未極化BNNTs等壓電輸出信號(hào)

為了提高壓電納米填料在有機(jī)聚合物溶液中的相容性和分散性，以及納米復(fù)合材料的壓電性能，通過用硝酸處理來實(shí)現(xiàn)納米管表面的氧化和羥基形成，在超聲處理下，官能化分子（TMSPM）與BNNT-OH表面的官能團(tuán)嫁接，生成化學(xué)官能化的納米管（F-BNNTs）。同時(shí)，納米管上的丙烯酸酯基團(tuán)顯著提高了BNNTs在聚合物基體溶液中的分散性及壓電輸出；實(shí)驗(yàn)表明：相對(duì)于原始BNNTs，基于F-BNNTs的復(fù)合壓電聚合物的壓電輸出提高了140% （見圖2）。

工作要點(diǎn)二：結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化顯著提高了復(fù)合材料的壓電性能，微結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合膜在較寬的響應(yīng)區(qū)域上展現(xiàn)出高靈敏度；

  課題組研究人員的前期研究工作表明，微結(jié)構(gòu)化能顯著提升壓電器件的輸出信號(hào)（Small 13 (23), 1604245；Nano Energy 60, 701等）。因此為了實(shí)現(xiàn)器件電信號(hào)輸出的最.大.化，本文采用結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的方法優(yōu)化壓電膜的微觀結(jié)構(gòu)，并利用高精度面投影微立體光刻3D打印的微尺度加工能力，實(shí)現(xiàn)拓?fù)湮⒔Y(jié)構(gòu)的制造。數(shù)值模擬結(jié)果表明，微結(jié)構(gòu)的引入能顯著提高壓電輸出，并且具有優(yōu)化微結(jié)構(gòu)（struct B-P 和struct C-P）的壓電薄膜能進(jìn)一步提高信號(hào)輸出（見圖3）。

圖3 平面和微圖案化壓電薄膜的設(shè)計(jì)和仿真結(jié)果

通過微結(jié)構(gòu)3D打印拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及壓電信號(hào)測試，表明F-BNNTs /樹脂復(fù)合膜的最大輸出電壓記錄為4.7 V，與原始的平面F-BNNTs壓電膜相比，輸出提高了4.3倍，比未官能化的BNNTs基復(fù)合膜高出10倍。這種顯著增強(qiáng)主要?dú)w因于聚合物和壓電填料之間有效應(yīng)力傳遞，以及復(fù)合膜的拓?fù)湮?/span>結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖4 （a-f）不同微結(jié)構(gòu)壓電薄膜；（g）薄膜壓電輸出；（h）壓電微結(jié)構(gòu)薄膜的壓電輸出實(shí)驗(yàn)與仿真對(duì)比

工作要點(diǎn)三：基于PμSL技術(shù)實(shí)現(xiàn)共形壓電器件制造與應(yīng)用；

與傳統(tǒng)的微加工方法相比，面投影微立體光刻3D打印技術(shù)在設(shè)計(jì)和制造具有復(fù)雜幾何形狀的共形電子器件上具有更大的靈活性，如圖5所示，曲面形狀和微結(jié)構(gòu)的制造證實(shí)了功能材料在復(fù)雜表面上的非平面制造能力。

圖4 （a）面曝光3D打印原理；（b）微結(jié)構(gòu)化的共形薄膜示意圖

可打印壓電材料被用于構(gòu)造機(jī)器人手的智能觸覺應(yīng)變傳感器。為了確保壓電器件在彎曲或不平坦表面上的功能性，根據(jù)機(jī)械手的表面設(shè)計(jì)了合適的3D模型，然后將共形器件打印并安裝到機(jī)械手不同的指骨上，通過建立應(yīng)變感應(yīng)電壓與特定手部姿勢的映射關(guān)系，手指上的應(yīng)變傳感器陣列可為機(jī)械手提供觸覺感測的能力。

圖5（a–d）機(jī)械手上的共形應(yīng)變傳感器可轉(zhuǎn)換不同的姿勢，例如松弛（a），抓取（b），吊勾（c）和托平（d）；（e）從托舉球到抓緊球的姿勢以及相應(yīng)的電壓響應(yīng)（f）。

如圖5所示，手指上的應(yīng)變傳感器陣列可以使用14個(gè)壓電應(yīng)變傳感器直接轉(zhuǎn)換手的姿勢，當(dāng)用手握住不同結(jié)構(gòu)的物體時(shí)，應(yīng)變傳感器會(huì)記錄彎曲手指的不同輸出信號(hào)。從預(yù)定義的傳感器中獲得的針對(duì)這種姿勢的力的大小及其空間分布。3D打印的共形柔性壓電傳感器件可用于捕獲接觸區(qū)域上的力分布并監(jiān)視機(jī)械手的不同運(yùn)動(dòng)，使其更能像人手一樣具備相關(guān)功能，在人機(jī)交互中應(yīng)用。

本研究提出了一種面投影微立體光刻3D打印功能化納米復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)功能器件制造的方法，并通過材料改性與微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩方面協(xié)同提升信號(hào)輸出。研究結(jié)果表明：在光固化聚合物樹脂中摻雜低負(fù)載量（0.2 wt％）的功能化氮化硼納米管，并進(jìn)行微結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化，可實(shí)現(xiàn)高性能壓電器件的制造。該方法制備的傳感器在智能機(jī)器人、仿生電子皮膚、曲面結(jié)構(gòu)件健康檢測與人機(jī)接口等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。