MicroFab Inkjet喷墨打印磁致伸缩传感器，实现CFRP结构健康监测

2025-09-23 13:23 睿度光电RUIDU

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英国诺丁汉大学工程学院增材制造中心Nisar Ahmed教授团队使用MicroFab Jetlab 4高精度喷墨打印系统实现了磁铁矿（Fe₃O₄）和镍（Ni）纳米颗粒墨水的图案化打印，实现了132 DPI的打印分辨率，同时验证了喷墨打印磁致伸缩传感器在CFRP健康监测中的可行性，为碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料的结构健康监测（SHM）提供了一种新型传感器解决方案，为航空航天领域的轻量化、低成本传感器开发奠定了基础。

关键词：喷墨打印、磁铁矿纳米颗粒墨水、磁致伸缩传感器、碳纤维增强聚合物（CFRP）、结构健康监测（SHM）

▶ 技术突破：采用MicroFab Jetlab 4高精度喷墨打印系统，成功实现了磁致伸缩材料（磁铁矿Fe₃O₄和镍Ni）的图案化打印。通过优化喷嘴参数（60μm孔径、标准波形驱动）和墨水粘度（Z值6-12 cP），解决了磁性纳米颗粒（NPs）易堵塞、卫星滴等问题，打印分辨率达132 DPI，为复杂传感器设计提供了高灵活性
▶ 性能优势：磁铁矿墨水（20 wt.% NPs）展现出**的软磁特性：饱和磁化强度（Ms）达76.5 Am²/kg，矫顽力（Hc）仅1.22 kA/m，远超镍材料（Ms=27.1 Am²/kg，Hc=6.56 kA/m）。其低磁滞损耗和高应变敏感性，使其成为碳纤维增强聚合物（CFRP）应变监测的理想选择
▶技术支撑：依托MicroFab Jetlab 4的精准液滴控制能力（液滴直径159.45±5.3μm），实现了磁性墨水的稳定喷射与多层堆叠。其压电驱动技术有效克服了磁性纳米颗粒的桥连效应，为复杂传感器结构（如多层线圈）的制备提供了关键技术支撑
▶线圈设计：通过对比多种打印图案（单轴贴片、网格等），螺旋线圈设计表现出**的磁弹性响应，应变-电感梯度较其他设计提升80%。结合20层叠加打印工艺，在保持精度的同时显著增强磁场响应，应变分辨率达0.12 με，优于文献报道的CoFeB带材传感器（0.211 με）
▲图1：（a）和（b）分别为设计图和使用JetLab 4用60µm喷头打印结果汇总；（i）磁铁矿单轴贴片、（ii）磁铁矿线圈、（iii）磁铁矿3mm网格设计和（iv）镍线
▲图2：金属纳米颗粒喷印时喷头喷嘴的状态：(a) 正常喷射，(b) 单液滴，(c) 伴生小液滴（卫星液滴），(d) 喷嘴堵塞

本研究基于MicroFab Jetlab 4高精度喷墨打印系统，成功开发了适用于CFRP结构健康监测的磁致伸缩传感器。通过系统优化磁铁矿墨水（20 wt.% NPs）的打印工艺，解决了纳米颗粒堵塞和液滴均匀性等挑战，实现了高精度（132 DPI）的复杂图案打印。通过对比不同设计（线圈、单轴贴片、网格等），螺旋线圈结构展现出**的应变灵敏度，其磁场-应变梯度比其他设计高80%。多层打印实验表明，20层磁铁矿方块在保持精度的同时，显著提升了应变响应性能。在CFRP表面直接打印磁铁矿线圈并施加弯曲应变测试，传感器成功检测到低至0.12μεμε的应变变化，优于文献报道的CoFeB带材传感器（0.211με）。MicroFab Jetlab 4的精准液滴控制技术（液滴直径159.45±5.3μm）为复杂传感器结构的可控制备提供了关键支持为磁致伸缩传感器的定制化设计与规模化生产开辟了新路径，有望推动其在航空航天、汽车等领域的商业化应用。

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参考文献：

[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.