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3D 打印导电水凝胶-弹性体聚合物复合结构

更新时间: 2021-08-04 14:30:05  查看次数: 237    
离子导电是水凝胶拥有的另一个特性,它使水凝胶可以应用于柔性电子领域。然而,传统的制造方法限制了水凝胶结构的几何复杂性,使得柔性电子元件的可靠性和功能性受到限制。将导电水凝胶与弹性体打印在一起为解决这一挑战提供了解决方案。我们基于导电水凝胶-弹性体打印了一个既能导电又能承受大变形的三维柔性电路。
更重要的是,水凝胶与弹性体之间强健的粘接允许弹性体与水凝胶一起变形,同时弹性体既能当做介电层也能起到防止导电水凝胶芯脱水的目的。我们进行了脱水对比试验,验证了弹性体为水凝胶提供的保水效果。脱水试验条件为27℃,湿度80%。通过对比发现,弹性体表皮保护的水凝胶在48h内重量变化不明显,而无保护的水凝胶结构在48h后失水40%。

3D打印导电水凝胶-弹性体的能力可以制造更复杂的柔性电子器件,真正实现材料-结构-功能一体化。为了证明这一点,我们利用水凝胶-弹性体3D打印了一个柔性气动执行器,并在其中集成了导电水凝胶的应变传感器。图a为执行器的设计原理图,图b为打印的软执行器的实物图,其中水凝胶传感电路为粉色部分。为了获得电阻与变形之间的关系,我们将水凝胶传感电路打印在弹性体衬底上。我们沿着长度方向拉伸弹性体来表征电阻和拉应变之间的关系,并沿着宽度方向拉伸弹性体来捕获电阻和压应变之间的关系。

我们进一步推导出一个方程来描述电阻与应变之间的关系: R = aλ2+bλ-1, a + b = R0(初始阻力R0= 12249 Ω,拟合参数a = 11250 Ω)。推导过程详见实验方法。基于导出方程的拟合曲线能够很好地捕捉电阻随着应变的非线性变化。利用推导出的方程,我们可以将测量到的电阻转化为软执行器在弯曲条件下对应的应变。给软执行器施加负气压时,由于水凝胶传感器所在的位置被拉伸,弯曲角为负,测得应变为正。当我们施加正气压力时,软执行器正向弯曲,此时水凝胶传感器被压缩,从而测量应变变为负。

我们进一步利用有限元分析(FEA)来模拟软执行器的弯曲,得到弯曲角度与传感器所在位置的应变之间的关系。可以看出有限元模拟的弯曲形状与实验结果吻合较好。数值模拟得到的弯曲角度与应变之间的关系(计算模型中测量的应变位置)与根据实验和推导公式换算的弯曲角度与应变之间的关系十分接近,也证明了之前应变计算的可靠性。