3D打印聚醚醚酮PEEK/石墨烯制備智能傳感構(gòu)件

供稿人:張曼玉 田小永 供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

具有自我監(jiān)測能力的智能結(jié)構(gòu)在航天、深海等極端環(huán)境中顯示其優(yōu)勢。智能結(jié)構(gòu)集結(jié)構(gòu)和傳感于一體，能夠感知被測物的信息和狀態(tài)，將自然界中的物理量轉(zhuǎn)化為可測量電信號。隨著物聯(lián)網(wǎng)和智能制造的興起，智能結(jié)構(gòu)得到廣泛的關(guān)注和迅猛的發(fā)展。

圖1.PEEK-LIG智能結(jié)構(gòu)的構(gòu)建方法(a)3D打印PEEK零件原理圖(b)從3D打印齒輪零件中制備LIG過程原理圖(c)3D打印PEEK-LIG零件(d)PEEK-LIG智能構(gòu)件受力電阻變化

北京理工大學與中國科學院太空制造技術(shù)實驗室研究團隊提出一種通過激光誘導(dǎo)石墨烯技術(shù)在3D打印PEEK件表面引入導(dǎo)電傳感電路的方法，用于制造智能結(jié)構(gòu)件。該團隊在3D打印PEEK復(fù)合材料的基礎(chǔ)上，利用10.6μm波長的CO2激光在3D打印PEEK零件的表面，產(chǎn)生分層激光誘導(dǎo)石墨烯（LIG），使得PEEK件同時具備導(dǎo)電和傳感雙重功能的部件，通過二甲基硅氧烷與導(dǎo)線封裝，得到PEEK-LIG智能結(jié)構(gòu)件（如圖1）。這種結(jié)構(gòu)利用PEEK材料解決3D打印件層間和力學性能不足的缺陷實現(xiàn)力學性能優(yōu)異，靈敏度高，循環(huán)穩(wěn)定好的PEEK-LIG智能構(gòu)件。研究人員測試了在拉伸和彎曲兩種應(yīng)變模式下智能結(jié)構(gòu)件的傳感性能。在拉伸和彎曲應(yīng)變2%-5%范圍內(nèi)，PEEK-LIG結(jié)構(gòu)件的傳感靈敏度分別達到了155.36和212.35。

圖2.PEEK-LIG智能齒輪和其工作狀態(tài)

文章給出智能構(gòu)件在齒輪磨損檢測中的應(yīng)用，研究人員利用3D打印技術(shù)設(shè)計制造處PEEK齒輪，在齒輪的輪齒上利用激光誘導(dǎo)石墨烯技術(shù)制造出傳感結(jié)構(gòu)，并通過電刷將傳感結(jié)構(gòu)單元與電路相連實現(xiàn)了對齒輪工作狀態(tài)的監(jiān)測。通過電阻的變化，可以對齒輪的磨損情況作出判斷（如圖2）。值得一提的是，絕大多數(shù)高分子材料都能夠通過激光誘導(dǎo)石墨烯工藝制造出石墨烯結(jié)構(gòu)，該方法具有廣泛的適用性。

參考文獻：
Fabrication of Smart Components by 3D Printing and Laser-Scribing Technologies ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, 12, 3928-3935, DOI: 10.1021/acsami.9b17467