用于压阻元件的导电光纳米复合材料的LCD 3D打印技术，该元件与可穿戴戒指集成在一起

《Sensors and Actuators A: Physical》：LCD 3D printing of conductive photo-nanocomposite for a piezoresistive component integrated with wearable rings

多壁碳纳米管复合光敏树脂通过LCD 3D打印技术制备出柔性压阻器件，其电阻率7.2–7.7 Ω·m，应变8.7%时电阻变化10.4倍，温度系数-1.58%K?1，成功实现机械环实时检测手指弯曲并控制仿生手指，为人机界面开发提供新材料。

　　

陈志泰|郭家翰

国立高雄科技大学机械工程系，台湾高雄县建功路415号，807618

摘要

为了模仿人体的多种功能（如运动和感知能力），软质和智能材料在机器人技术领域已经被研究和发展了半个多世纪。最近，人们致力于探索新型材料以改进聚合物纳米复合材料，这为可穿戴电子设备和软体机器人带来了挑战和机遇。在本研究中，将多壁碳纳米管（MWCNT）与光敏树脂混合，制备了一种可通过紫外光固化的液态导电纳米复合材料（CPNC），用于液槽光聚合工艺。这种含有0.3 wt% MWCNT的CPNC材料被专门设计用于基于液晶显示器（LCD）的液槽光聚合（VP）技术制造的软质压阻器件。其电阻率约为7.2–7.7 Ω·m，应变灵敏度（量程因子）约为1.1–1.2，接近金属复合材料的性能。此外，在约0.68 MPa的负载下，该材料的最大应变约为8.7%，电阻变化最大可达9.6–10.4%，并且在300 K时的电阻温度系数（TCR）为-1.58%K^-1。通过基于LCD的VP技术制造的一对机器人环，可以实时检测人类手指的弯曲并控制仿生手指。这种多功能设计的导电纳米复合材料在机电一体化和电子设备中具有广泛应用前景，特别是在人机交互等先进应用中。

章节摘录

引言

为了模仿人体的多种功能（如运动和感知能力），软质和智能材料在软体机器人科学技术领域已被广泛研究和发展了半个多世纪[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]。这类具有柔韧性和顺应性的材料被应用于许多消费和工业领域，例如生物医学和太空机器人[2]、[3]、[4]，其中柔性转换机制发挥了重要作用。

导电纳米复合材料（CPNC）的制备

我们提出了一种导电纳米复合材料（CPNC），作为聚合物基复合材料（PMC）[41]的一种，专门用于通过LCD 3D打印技术在增材制造（AM）过程中制造压阻传感器，如图1所示。首先，将多壁碳纳米管（MWCNT）用乙醇（EA, C?H?OH）溶剂稀释，制成导电纳米复合材料（CNC）的成分，用于传感结构中的电子传输（见图1）。

导电纳米复合结构的LCD 3D打印

为了实现基于VP技术的CPNC结构和器件，我们制备了导电纳米复合材料，如图3(a)所示。首先，在试管中（Delta mixer，Se-08，TAITEC Corp.，日本），以2800 rpm的速度将MWCNT（TSCNT-C，X-mat?，长度l = 5–15 μm，外径d = 10–20 nm，密度0.015–0.03 g/cm3，Taiwan Carbon Materials Corp.）与乙醇（EV，10 g）涡流混合1分钟，然后...

层状纳米复合结构的形态

为了观察LCD 3D打印产生的精细结构形态，我们使用扫描电子显微镜（SEM，1.2 nm分辨率，1 kV加速，Gemini 450，Zeiss，德国）对纯光敏树脂（PR）和含有0.3 wt% MWCNT的CPNC进行了观察。结果如图5所示，展示了两种LCD 3D打印结构在不同区域的SEM图像，包括物体外表面边界和横截面内部。

结论

本研究通过应用基于液晶显示器（LCD）的液槽光聚合（VP）技术，实现了软质压阻材料和器件的三维（3D）设计与增材制造。CPNC材料主要由多壁碳纳米管（MWCNT）、光敏引发剂（PI）和柔性光敏树脂（PR）组成，用于通过LVP工艺构建U形压阻器件。

CRediT作者贡献声明

陈志泰：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，可视化，项目监督，方法论研究，资金获取，数据分析，概念构思。郭家翰：数据验证，软件开发，方法论研究，数据分析，数据管理。

利益冲突声明

作者声明以下可能的财务利益和个人关系：陈志泰表示获得了科技部的财政支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢科技部（MOST）在MOST 111-2221-E-992-052-MY2项目下的研究资助；同时感谢国立中山大学（NSYSU）的高价值仪器联合中心在MOST 111-2731-M-110-001项目下提供的扫描电子显微镜（SEM）使用支持。

陈志泰1992年获得台湾国立中兴大学工程科学学士学位，1996年在美国加州帕洛阿尔托的斯坦福大学获得航空航天硕士学位。1998年在Robert W. MacCormack教授的指导下完成斯坦福大学航空航天工程学位，2007年在台湾国立清华大学获得工程与系统科学博士学位。