噴墨打印磁致伸縮位移傳感器在碳纖維復合材料結構監測中的應用
近日，諾丁漢大學工程學院增材制造中心和英國謝菲爾德大學相關研究團隊使用MicroFab Jetlab 4噴墨打印系統開發并表征了一種可用于碳纖維增強復合材料（CFRP）內部結構缺陷檢測的磁響應傳感器。該研究使用MicroFab Jetlab 4生成平均半徑78.20±2.5µm的磁鐵礦液滴進行打印。噴墨打印的磁鐵礦線圈的應變分辨率為0.12µStrain，遠小于文獻報道CoFeB材料的0.211µStrain，大大提高了檢測靈敏度。此外，噴墨打印技術可以根據CFRP中的缺陷位置進行磁響應傳感器的定制設計，為檢測提供了靈活性，降低了制造的時間和成本，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生的內部缺陷或損傷，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CFRP施加外部彎曲誘導應變，引起傳感器內部的磁致伸縮效應進行電感靈敏度-應變的監測。該傳感器能夠極惡劣的工業環境中對碳纖維復合材料表面粗糙缺裂及內部缺陷情況進行無損檢測，輸出信號為絕對位移值，即使電源中斷、重接，數據也不會丟失，更無須重新歸零。可廣泛應用于飛機結構材料、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、機動船、工業機器人、汽車板簧和驅動軸等的缺陷排查檢測。
2 結語
本文通過噴墨打印磁致伸縮材料開發了一種傳感器，并展示了改變打印形狀和層數如何影響施加應變下的電感變化。研究中，通過噴墨打印技術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變分辨率為0.12µStrain，遠小于文獻報道CoFeB材料的0.211µStrain，大大提高了檢測靈敏度，這項工作使傳感器的定制設計更為靈活，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，為未來結構監測和打印磁性材料的研究和發展提供了空間。未來的前景除了火箭、宇航等航空尖端科學領域，還可廣泛應用于石油、化工、水利、制藥、食品、飲料等行業的各種位置計量和監測等。
參考文獻：
[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.
[2] Bastola A K, Hossain M. The shape–morphing performance of magnetoactive soft materials[J]. Materials & Design, 2021, 211: 110172.
[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行電感測量，以及（c）與電感器、電容器（其中1和2為正負極連接）和交流電源串聯的電路原理圖
磁致伸縮材料能夠無損檢測CFRP在彎曲或沖擊力下產生的內部缺陷或損傷，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CFRP施加外部彎曲誘導應變，引起傳感器內部的磁致伸縮效應進行電感靈敏度-應變的監測。該傳感器能夠極惡劣的工業環境中對碳纖維復合材料表面粗糙缺裂及內部缺陷情況進行無損檢測，輸出信號為絕對位移值，即使電源中斷、重接，數據也不會丟失，更無須重新歸零。可廣泛應用于飛機結構材料、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、機動船、工業機器人、汽車板簧和驅動軸等的缺陷排查檢測。
▲ 圖2 每個液滴的Jetlab信號輸入標準波
實驗使用MicroFab的Jetlab 4噴墨打印系統進行打印，因為它具有多功能性、精密度和可操作性。將打印的磁性油墨超聲30min，選擇孔口直徑為60μm的壓電噴頭，以圖2的標準波進行打印。根據油墨混合物的不同，打印參數略有不同，以防止衛星液滴的發生。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，因此當噴嘴處的密度存在差異時，會發生堵塞導致打印不規則。▲ 圖3 （a）噴嘴口、 （b）單液滴、（c）衛星液滴、 （d）噴頭堵塞
自制了鎳墨水和磁鐵礦墨水兩種磁性墨水進行比較，兩種墨水的粘度都低于20cP，發現磁鐵礦NPs是理想的軟磁性材料，到49Am時，飽和磁化強度增加了一倍以上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單軸貼片、線圈、3mm網格的設計和打印情況。▲ 圖5 （a）圖像設計和（b）打印情況：（i）磁鐵礦單軸貼片，（ii）磁鐵礦線圈和（iii）網格設計和（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，尺寸穩定。圖b鎳墨水液滴不穩定，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、減少溶質的擴散來減小液滴尺寸。 ▲ 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力方向對齊，可以通過增加打印的密度或層數來改善測量的磁場。 ▲圖9 磁鐵礦的電感-應變圖
▲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，測量電感-應變的函數
2 結語
本文通過噴墨打印磁致伸縮材料開發了一種傳感器，并展示了改變打印形狀和層數如何影響施加應變下的電感變化。研究中，通過噴墨打印技術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變分辨率為0.12µStrain，遠小于文獻報道CoFeB材料的0.211µStrain，大大提高了檢測靈敏度，這項工作使傳感器的定制設計更為靈活，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，為未來結構監測和打印磁性材料的研究和發展提供了空間。未來的前景除了火箭、宇航等航空尖端科學領域，還可廣泛應用于石油、化工、水利、制藥、食品、飲料等行業的各種位置計量和監測等。
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