供稿人:张曼玉 田小永 供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室 发布日期：2020-10-13
具有自我监测能力的智能结构在航天、深海等极端环境中显示其优势。智能结构集结构和传感于一体，能够感知被测物的信息和状态，将自然界中的物理量转化为可测量电信号。随着物联网和智能制造的兴起，智能结构得到广泛的关注和迅猛的发展。
图1.PEEK-LIG智能结构的构建方法(a)3D打印PEEK零件原理图(b)从3D打印齿轮零件中制备LIG过程原理图(c)3D打印PEEK-LIG零件(d)PEEK-LIG智能构件受力电阻变化
北京理工大学与中国科学院太空制造技术实验室研究团队提出一种通过激光诱导石墨烯技术在3D打印PEEK件表面引入导电传感电路的方法，用于制造智能结构件。该团队在3D打印PEEK复合材料的基础上，利用10.6µm波长的CO2激光在3D打印PEEK零件的表面，产生分层激光诱导石墨烯（LIG），使得PEEK件同时具备导电和传感双重功能的部件，通过二甲基硅氧烷与导线封装，得到PEEK-LIG智能结构件（如图1）。这种结构利用PEEK材料解决3D打印件层间和力学性能不足的缺陷实现力学性能优异，灵敏度高，循环稳定好的PEEK-LIG智能构件。研究人员测试了在拉伸和弯曲两种应变模式下智能结构件的传感性能。在拉伸和弯曲应变2%-5%范围内，PEEK-LIG结构件的传感灵敏度分别达到了155.36和212.35。
图2.PEEK-LIG智能齿轮和其工作状态
文章给出智能构件在齿轮磨损检测中的应用，研究人员利用3D打印技术设计制造处PEEK齿轮，在齿轮的轮齿上利用激光诱导石墨烯技术制造出传感结构，并通过电刷将传感结构单元与电路相连实现了对齿轮工作状态的监测。通过电阻的变化，可以对齿轮的磨损情况作出判断（如图2）。值得一提的是，绝大多数高分子材料都能够通过激光诱导石墨烯工艺制造出石墨烯结构，该方法具有广泛的适用性。