基于原位直写的弹性多孔材料与嵌入式传感器一体化成形机理研究

Due to the excellent stress isolation performance, porous elastomers have been widely used in various fields, such as weapons and aerospace engineering. It is desired to obtain the mechanical behavior of the internal mesoporous structures by embedding in situ sensors, which is important to analyze the real-time working conditions and failure process of the material. However, the current embedded sensor manufacturing process for porous elastomers is scarce. Considering the above issue, this project uses silicone rubber foam as a typical porous elastomer, and proposes a new idea of integrating the porous elastomer and the in situ sensor through direct ink writing process. Firstly, the production process of printable sensing material will be studied, and the control mechanism of production parameters and composition to the rheology, mechanical properties, and stress sensing performance will be established. Secondly, the printing parameters of sensing material will be explored, and the mechanism of in situ embedding process will be studied. The synergistic effect of the printing parameters of the two inks, including silicone rubber and sensing material, for the forming of the overall foam structure will be revealed. The interface lap joint model of the sensor and the silicone rubber filaments will be constructed, and the effect of the interface structure on the stress condition of the in situ sensor will be analyzed. The influencing factors of the in situ measured stress, along with the corresponding control mechanism of direct ink writing process and material properties, will be fully explained.

弹性多孔材料因其优异的应力隔离性能在航空航天和武器装备等领域中得到广泛的应用。通过嵌入原位传感器获取其内部细观孔结构的力学行为，对材料的实时工况监测和失效过程分析具有重要意义。然而，目前面向弹性多孔材料的嵌入式传感器制造工艺较为匮乏。鉴于此，本项目以硅橡胶泡沫作为一种典型的弹性多孔材料，提出通过墨水直写工艺将弹性多孔材料和原位传感器一体化成形的新思路。首先，研究具备可打印性的传感浆料制备工艺，全面建立工艺参数和材料配比对于浆料流变性、力学性能和应力传感性能的调控机制；其次，探明传感浆料的打印参数，研究传感材料的原位嵌入工艺机理，揭示硅橡胶和传感材料两种浆料的打印参数对于泡沫结构整体成形的协同控制规律；构建传感器和硅橡胶线条的界面搭接模型，分析不同的界面搭接结构参数对于原位传感器受力情况的影响规律，结合模拟仿真全面阐释原位应力测量结果的受控因素，并探明相应的直写工艺和浆料性能调控机制。

弹性多孔材料因其优异的柔性、耐高能冲击、应力隔离以及隔音隔热性能，在武器装备、航空航天等领域中得到广泛应用。研究其内部细观孔结构的力学行为，对于弹性多孔材料的实时工况监测、损伤过程分析、材料失效机理研究以及孔结构的优化设计具有重要意义。本项目从传感材料、成形工艺、力学信号测量三个方面对原位直写工艺和原位传感性能进行研究：首先，通过溶剂共混法制备了还原氧化石墨烯/硅橡胶打印墨水，表征了石墨烯片层在硅橡胶基体中的分散均匀性和稳定性，优化了剥离方法和分散工艺，确定了墨水的固化参数，揭示了墨水流变性、力学性能以及传感性能的调控方法；其次，建立了打印速度和挤出压力与成形线宽的对应关系，成形了网格形、三角形、蜂窝形等三维规则结构，获取了优异且可调控的力学、电学和传感性能：其断裂伸长率可达130%，电磁屏蔽效能最大为45dB，应变灵敏系数可在6-66范围内可调。基于以上工艺参数，项目组以硅橡胶泡沫作为一种典型的弹性多孔材料，设计了双喷头打印系统，成功实现了在泡沫内部指定位置原位传感器的嵌入；最后，项目组对原位传感器的性能进行了综合评估。开发了单根传感器测试系统，测得传感线条的应变检测范围在0-80%。为了解决大变形作用下信号漂移的问题，项目组对原位传感器的引出导线进行了研究。通过同轴3D打印和双材料直写工艺制备了三维液态金属/硅橡胶同轴网格和固液桥联网格结构，利用硅橡胶的柔性和液态金属的适形性，所制备的柔性导线展现出了非常稳定的电学特性，其在100%的大应变下电阻变化仅为-2%。基于以上传感材料、原位直写工艺以及原位信号引出方面的成果，项目组对硅橡胶泡沫进行了原位传感测试。从测试结果来看，泡沫内部的原位应变随着外部变形的增加而增大，外部层的应变略高于内部层，且原位传感信号输出稳定。项目研究成果为精密细观结构在外部作用下的力学响应、材料失效过程和结构优化设计方面的研究提供了理论依据和应用基础，具有重要的学术价值和应用前景。