噴墨打印磁致伸縮位移傳感器在碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)監(jiān)測中的應(yīng)用
近日，諾丁漢大學(xué)工程學(xué)院增材制造中心和英國謝菲爾德大學(xué)相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)使用MicroFab Jetlab 4噴墨打印系統(tǒng)開發(fā)并表征了一種可用于碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷檢測的磁響應(yīng)傳感器。該研究使用MicroFab Jetlab 4生成平均半徑78.20±2.5µm的磁鐵礦液滴進(jìn)行打印。噴墨打印的磁鐵礦線圈的應(yīng)變分辨率為0.12µStrain，遠(yuǎn)小于文獻(xiàn)報(bào)道CoFeB材料的0.211µStrain，大大提高了檢測靈敏度。此外，噴墨打印技術(shù)可以根據(jù)CFRP中的缺陷位置進(jìn)行磁響應(yīng)傳感器的定制設(shè)計(jì)，為檢測提供了靈活性，降低了制造的時(shí)間和成本，打破了磁致伸縮材料受限于3D擠出或粉末金屬增材制造的限制。
1 正文
磁致伸縮材料能夠無損檢測CFRP在彎曲或沖擊力下產(chǎn)生的內(nèi)部缺陷或損傷，因此本研究選用了磁鐵礦/DMP溶液作為智能磁性墨水打印制備了傳感器，通過對(duì)CFRP施加外部彎曲誘導(dǎo)應(yīng)變，引起傳感器內(nèi)部的磁致伸縮效應(yīng)進(jìn)行電感靈敏度-應(yīng)變的監(jiān)測。該傳感器能夠極惡劣的工業(yè)環(huán)境中對(duì)碳纖維復(fù)合材料表面粗糙缺裂及內(nèi)部缺陷情況進(jìn)行無損檢測，輸出信號(hào)為絕對(duì)位移值，即使電源中斷、重接，數(shù)據(jù)也不會(huì)丟失，更無須重新歸零。可廣泛應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料、電磁屏蔽除電材料、人工韌帶等身體代用材料以及火箭外殼、機(jī)動(dòng)船、工業(yè)機(jī)器人、汽車板簧和驅(qū)動(dòng)軸等的缺陷排查檢測。
2 結(jié)語
本文通過噴墨打印磁致伸縮材料開發(fā)了一種傳感器，并展示了改變打印形狀和層數(shù)如何影響施加應(yīng)變下的電感變化。研究中，通過噴墨打印技術(shù)將磁致伸縮材料油墨制備均勻液滴并打印在PI膜上，打印出的磁鐵礦線圈的應(yīng)變分辨率為0.12µStrain，遠(yuǎn)小于文獻(xiàn)報(bào)道CoFeB材料的0.211µStrain，大大提高了檢測靈敏度，這項(xiàng)工作使傳感器的定制設(shè)計(jì)更為靈活，打破了磁致伸縮材料受限于3D擠出或粉末金屬增材制造的限制，為未來結(jié)構(gòu)監(jiān)測和打印磁性材料的研究和發(fā)展提供了空間。未來的前景除了火箭、宇航等航空尖端科學(xué)領(lǐng)域，還可廣泛應(yīng)用于石油、化工、水利、制藥、食品、飲料等行業(yè)的各種位置計(jì)量和監(jiān)測等。
參考文獻(xiàn)：
[1] Ahmed N, Smith P J, Morley N A. Inkjet Printing Magnetostrictive Materials for Structural Health Monitoring of Carbon Fibre-Reinforced Polymer Composite[J]. Sensors, 2024, 24(14): 4657.
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[3] Ahmed N, Deffley R, Kundys B, et al. 3D printing of magnetostrictive property in 17/4 ph stainless steel[J]. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2023, 585: 171115.
[4] Gullapalli A, Beedasy V, Vincent J D S, et al. Flat Inkjet‐Printed Copper Induction Coils for Magnetostrictive Structural Health Monitoring: A Comparison with Bulk Air Coils and an anisotropic magnetoresistive sensor (AMR) Sensor[J]. Advanced Engineering Materials, 2021, 23(9): 2100313.
[5] Voit W, Zapka W, Belova L, et al. Application of inkjet technology for the deposition of magnetic nanoparticles to form micron-scale structures[J]. IEE Proceedings-Science, Measurement and Technology, 2003, 150(5): 252-256.
[6] Raut N C, Al-Shamery K. Inkjet printing metals on flexible materials for plastic and paper electronics[J]. Journal of Materials Chemistry C, 2018, 6(7): 1618-1641.
1 正文
▲ 圖1 （a）用于電感測量的空芯線圈支架的尺寸，（b）在3D打印折彎裝置上使用線圈和夾具進(jìn)行電感測量，以及（c）與電感器、電容器（其中1和2為正負(fù)極連接）和交流電源串聯(lián)的電路原理圖
磁致伸縮材料能夠無損檢測CFRP在彎曲或沖擊力下產(chǎn)生的內(nèi)部缺陷或損傷，因此本研究選用了磁鐵礦/DMP溶液作為智能磁性墨水打印制備了傳感器，通過對(duì)CFRP施加外部彎曲誘導(dǎo)應(yīng)變，引起傳感器內(nèi)部的磁致伸縮效應(yīng)進(jìn)行電感靈敏度-應(yīng)變的監(jiān)測。該傳感器能夠極惡劣的工業(yè)環(huán)境中對(duì)碳纖維復(fù)合材料表面粗糙缺裂及內(nèi)部缺陷情況進(jìn)行無損檢測，輸出信號(hào)為絕對(duì)位移值，即使電源中斷、重接，數(shù)據(jù)也不會(huì)丟失，更無須重新歸零。可廣泛應(yīng)用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料、電磁屏蔽除電材料、人工韌帶等身體代用材料以及火箭外殼、機(jī)動(dòng)船、工業(yè)機(jī)器人、汽車板簧和驅(qū)動(dòng)軸等的缺陷排查檢測。
▲ 圖2 每個(gè)液滴的Jetlab信號(hào)輸入標(biāo)準(zhǔn)波
實(shí)驗(yàn)使用MicroFab的Jetlab 4噴墨打印系統(tǒng)進(jìn)行打印，因?yàn)樗哂卸喙δ苄�、精密度和可操作性。將打印的磁性油墨超�?0min，選擇孔口直徑為60μm的壓電噴頭，以圖2的標(biāo)準(zhǔn)波進(jìn)行打印。根據(jù)油墨混合物的不同，打印參數(shù)略有不同，以防止衛(wèi)星液滴的發(fā)生。例如，鎳墨水具有較重的金屬顆粒，這些金屬顆粒不容易混合到溶液中，因此當(dāng)噴嘴處的密度存在差異時(shí)，會(huì)發(fā)生堵塞導(dǎo)致打印不規(guī)則。▲ 圖3 （a）噴嘴口、 （b）單液滴、（c）衛(wèi)星液滴、 （d）噴頭堵塞
自制了鎳墨水和磁鐵礦墨水兩種磁性墨水進(jìn)行比較，兩種墨水的粘度都低于20cP，發(fā)現(xiàn)磁鐵礦NPs是理想的軟磁性材料，到49Am時(shí)，飽和磁化強(qiáng)度增加了一倍以上2/kg，矯頑場比鎳減少4倍以上，為5.34kA/m。▲ 圖4 磁鐵礦和鎳NP的磁滯回線從-1200到1200kA/m場
下圖5顯示了Jetlab 4使用60μm噴頭在相片紙上分別針對(duì)單軸貼片、線圈、3mm網(wǎng)格的設(shè)計(jì)和打印情況。▲ 圖5 （a）圖像設(shè)計(jì)和（b）打印情況：（i）磁鐵礦單軸貼片，（ii）磁鐵礦線圈和（iii）網(wǎng)格設(shè)計(jì)和（iiiv）鎳線打印
圖6a所示的磁鐵礦液滴接近球形，顆粒間存在良好的吸力，液滴半徑約78.20±2.5μm，尺寸穩(wěn)定。圖b鎳墨水液滴不穩(wěn)定，在相紙上較離散，平均半徑為70.7±1.5μm。磁鐵礦打印的分辨率約為132DPI。在打印過程中可以通過加熱使溶劑蒸發(fā)、減少溶質(zhì)的擴(kuò)散來減小液滴尺寸。 ▲ 圖6 （a）相紙上打印的磁鐵礦和（b）相紙上的鎳墨水
磁鐵礦NPs在液滴中的分布并不均勻，SEM圖像中顯示較大的融合NPs，影響液滴的粗糙度和高度。
▲圖7 磁鐵礦的SEM圖和EDS圖
與磁鐵礦相比，鎳NPs具有更高水平的孔隙率，由于溶劑含量高于磁鐵礦。▲圖8 鎳墨水的SEM圖和EDS圖
圖9所示，隨著應(yīng)變的增加，線圈和磁鐵礦之間的距離增加，彎曲裝置引起的張力將使力矩朝著應(yīng)力方向?qū)R，可以通過增加打印的密度或?qū)訑?shù)來改善測量的磁場。 ▲圖9 磁鐵礦的電感-應(yīng)變圖
▲圖10 磁鐵礦打印線性擬合(a)截距，(b)斜率和(c) R2
▲圖11 磁鐵礦打印(a) 10層，(b) 20層，(c) 30層效果
▲圖12 打印10、20、30層磁鐵礦彎曲試驗(yàn)，測量電感-應(yīng)變的函數(shù)
2 結(jié)語
本文通過噴墨打印磁致伸縮材料開發(fā)了一種傳感器，并展示了改變打印形狀和層數(shù)如何影響施加應(yīng)變下的電感變化。研究中，通過噴墨打印技術(shù)將磁致伸縮材料油墨制備均勻液滴并打印在PI膜上，打印出的磁鐵礦線圈的應(yīng)變分辨率為0.12µStrain，遠(yuǎn)小于文獻(xiàn)報(bào)道CoFeB材料的0.211µStrain，大大提高了檢測靈敏度，這項(xiàng)工作使傳感器的定制設(shè)計(jì)更為靈活，打破了磁致伸縮材料受限于3D擠出或粉末金屬增材制造的限制，為未來結(jié)構(gòu)監(jiān)測和打印磁性材料的研究和發(fā)展提供了空間。未來的前景除了火箭、宇航等航空尖端科學(xué)領(lǐng)域，還可廣泛應(yīng)用于石油、化工、水利、制藥、食品、飲料等行業(yè)的各種位置計(jì)量和監(jiān)測等。
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