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 發(fā)布日期：2020-10-13
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實驗室研究團隊提出一種通過激光誘導石墨烯技術在3D打印PEEK件表面引入導電傳感電路的方法，用于制造智能結(jié)構(gòu)件。該團隊在3D打印PEEK復合材料的基礎上，利用10.6μm波長的CO2激光在3D打印PEEK零件的表面，產(chǎn)生分層激光誘導石墨烯（LIG），使得PEEK件同時具備導電和傳感雙重功能的部件，通過二甲基硅氧烷與導線封裝，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變模式下智能結(jié)構(gòu)件的傳感性能。在拉伸和彎曲應變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用，研究人員利用3D打印技術設計制造處PEEK齒輪，在齒輪的輪齒上利用激光誘導石墨烯技術制造出傳感結(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。