基于EHD喷墨打印技术的高灵敏度多应变传感器开发及其在先进空中交通结构健康监测中的应用

本文创新性地采用电流体动力（EHD）喷墨打印技术制备银基/碳基墨水，开发出可贴合曲面结构的高响应性多应变传感器。通过拉伸测试验证其高应变系数（GF），并利用冲击测试实现冲击位置追踪与形变可视化，为先进空中交通（AAM）的结构健康监测（SHM）提供了微型化、高灵敏度的新型解决方案。

　　

亮点

本研究通过EHD喷墨打印技术实现微米级精度的传感器制造，突破传统压电传感器（PZT）和光纤布拉格光栅（FBG）在曲面贴合性和响应速度上的局限，为航空复合材料结构的实时监测提供新范式。

打印准备

研发团队制备了两种功能性墨水：以二乙二醇单丁醚乙酸酯（DGBA）为溶剂的银基墨水和以二元酸酯（DBE）为溶剂的碳基墨水。通过反复拉伸测试筛选出具有理想滞后特性的墨水配方，其粘度调控和颗粒分散特性完美适配EHD打印的微滴成型需求。

机械性能

如图4所示，EHD打印系统通过计算机精准控制流体控制器、三维运动平台和高电压模块。其中，高压电场使喷嘴处形成泰勒锥（Taylor cone），实现亚微米级液滴喷射，配合XYZ轴_0.1μm级定位精度，可在聚酰亚胺（PI）基底上构建复杂传感网络。

传感器制造

设计的多应变传感器采用200×10mm²的PI薄膜基底，通过蛇形线路布局增强应变收集能力。独特的网格化结构可捕捉复合材料面板在动态载荷下的局部应变梯度，其<6%的滞后误差显著优于传统FBG传感器。

结论

该传感器在万能试验机（UTM）测试中展现出优异的电阻-应变线性关系，冲击实验更证实其能通过各线路电阻变化差异实现厘米级冲击定位。这种微打印技术为飞行器结构健康监测（SHM）提供了可定制化的微型传感解决方案。