基于TPMS晶格结构的柔性压力传感器：机械性能与压阻特性的协同优化研究

本文推荐：研究团队通过熔融沉积成型(FDM)3D打印技术结合石墨烯导电涂层，创新开发基于三周期极小曲面(TPMS)结构的柔性压阻传感器。该传感器在45%体积分数下实现0.05-0.45应变范围的高压缩强度，最大归一化电阻变化(ΔR/R)达0.6，兼具优异灵敏度与循环稳定性，为运动医学和生物力学分析中的可穿戴设备提供了突破性解决方案。

　　

Highlight

材料选择

常用材料包括MXene、多壁碳纳米管(MWCNT)、二维层状金属硫化物(2D LMC)、MXene/还原氧化石墨烯(rGO)复合材料、MXene/聚乙烯吡咯烷酮(PVP)复合材料、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚乳酸(PLA)和热塑性聚氨酯(TPU)。TPU兼具弹性与机械强度，具有热稳定性、耐磨性和耐腐蚀性，其优异的加工性能和生物相容性使其成为动态晶格结构的理想基材。此外，TPU可通过熔融沉积成型实现柔性成型。

TPMS传感器的机械性能

对体积分数分别为30%、45%、60%及梯度变化（30%-60%、30%-45%、45%-60%）的TPMS结构进行单轴压缩测试，评估其应力-应变行为和弹性模量。如图5所示，初始样本具有光滑表面和开孔网络结构。压缩过程中，结构壁发生弯曲且高度降低，孔隙从5%应变开始逐步闭合。当应变达60%时，结构壁相互接触并通过应力重分布形成致密承重网络。

结论

本研究通过融合FDM 3D打印技术与石墨烯导电涂层工艺，设计制备了基于TPMS架构的柔性压力传感器。该传感器展现出低噪声输出的高精度压阻响应特性，以及卓越的机械柔性和耐久性。TPMS结构具有连续光滑表面和独特几何拓扑，显著改善应力分布并增强结构完整性，使其在动态压力监测中实现灵敏度与耐久性的协同优化。