喷墨打印磁致伸缩位移传感器在碳纤维复合材料结构监测中的应用
2024-08-13 来源:本站 点击次数:810
近日，诺丁汉大学工程学院增材制造中心和英国谢菲尔德大学相关研究团队使用MicroFab Jetlab 4喷墨打印系统开发并表征了一种可用于碳纤维增强复合材料（CFRP）内部结构缺陷检测的磁响应传感器。该研究使用MicroFab Jetlab 4生成平均半径78.20±2.5µm的磁铁矿液滴进行打印。喷墨打印的磁铁矿线圈的应变分辨率为0.12µStrain，远小于文献报道CoFeB材料的0.211µStrain，大大提高了检测灵敏度。此外，喷墨打印技术可以根据CFRP中的缺陷位置进行磁响应传感器的定制设计，为检测提供了灵活性，降低了制造的时间和成本，打破了磁致伸缩材料受限于3D挤出或粉末金属增材制造的限制。
1 正文
磁致伸缩材料能够无损检测CFRP在弯曲或冲击力下产生的内部缺陷或损伤，因此本研究选用了磁铁矿/DMP溶液作为智能磁性墨水打印制备了传感器，通过对CFRP施加外部弯曲诱导应变，引起传感器内部的磁致伸缩效应进行电感灵敏度-应变的监测。该传感器能够极恶劣的工业环境中对碳纤维复合材料表面粗糙缺裂及内部缺陷情况进行无损检测，输出信号为绝对位移值，即使电源中断、重接，数据也不会丢失，更无须重新归零。可广泛应用于飞机结构材料、电磁屏蔽除电材料、人工韧带等身体代用材料以及火箭外壳、机动船、工业机器人、汽车板簧和驱动轴等的缺陷排查检测。
2 结语
本文通过喷墨打印磁致伸缩材料开发了一种传感器，并展示了改变打印形状和层数如何影响施加应变下的电感变化。研究中，通过喷墨打印技术将磁致伸缩材料油墨制备均匀液滴并打印在PI膜上，打印出的磁铁矿线圈的应变分辨率为0.12µStrain，远小于文献报道CoFeB材料的0.211µStrain，大大提高了检测灵敏度，这项工作使传感器的定制设计更为灵活，打破了磁致伸缩材料受限于3D挤出或粉末金属增材制造的限制，为未来结构监测和打印磁性材料的研究和发展提供了空间。未来的前景除了火箭、宇航等航空尖端科学领域，还可广泛应用于石油、化工、水利、制药、食品、饮料等行业的各种位置计量和监测等。
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.
[2] Bastola A K, Hossain M. The shape–morphing performance of magnetoactive soft materials[J]. Materials & Design, 2021, 211: 110172.
[3] Ahmed N, Deffley R, Kundys B, et al. 3D printing of magnetostrictive property in 17/4 ph stainless steel[J]. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2023, 585: 171115.
[4] Gullapalli A, Beedasy V, Vincent J D S, et al. Flat Inkjet‐Printed Copper Induction Coils for Magnetostrictive Structural Health Monitoring: A Comparison with Bulk Air Coils and an anisotropic magnetoresistive sensor (AMR) Sensor[J]. Advanced Engineering Materials, 2021, 23(9): 2100313.
[5] Voit W, Zapka W, Belova L, et al. Application of inkjet technology for the deposition of magnetic nanoparticles to form micron-scale structures[J]. IEE Proceedings-Science, Measurement and Technology, 2003, 150(5): 252-256.
[6] Raut N C, Al-Shamery K. Inkjet printing metals on flexible materials for plastic and paper electronics[J]. Journal of Materials Chemistry C, 2018, 6(7): 1618-1641.
1 正文
▲ 图1 （a）用于电感测量的空芯线圈支架的尺寸，（b）在3D打印折弯装置上使用线圈和夹具进行电感测量，以及（c）与电感器、电容器（其中1和2为正负极连接）和交流电源串联的电路原理图
磁致伸缩材料能够无损检测CFRP在弯曲或冲击力下产生的内部缺陷或损伤，因此本研究选用了磁铁矿/DMP溶液作为智能磁性墨水打印制备了传感器，通过对CFRP施加外部弯曲诱导应变，引起传感器内部的磁致伸缩效应进行电感灵敏度-应变的监测。该传感器能够极恶劣的工业环境中对碳纤维复合材料表面粗糙缺裂及内部缺陷情况进行无损检测，输出信号为绝对位移值，即使电源中断、重接，数据也不会丢失，更无须重新归零。可广泛应用于飞机结构材料、电磁屏蔽除电材料、人工韧带等身体代用材料以及火箭外壳、机动船、工业机器人、汽车板簧和驱动轴等的缺陷排查检测。
▲ 图2 每个液滴的Jetlab信号输入标准波
实验使用MicroFab的Jetlab 4喷墨打印系统进行打印，因为它具有多功能性、精密度和可操作性。将打印的磁性油墨超声30min，选择孔口直径为60μm的压电喷头，以图2的标准波进行打印。根据油墨混合物的不同，打印参数略有不同，以防止卫星液滴的发生。例如，镍墨水具有较重的金属颗粒，这些金属颗粒不容易混合到溶液中，因此当喷嘴处的密度存在差异时，会发生堵塞导致打印不规则。▲ 图3 （a）喷嘴口、 （b）单液滴、（c）卫星液滴、 （d）喷头堵塞
自制了镍墨水和磁铁矿墨水两种磁性墨水进行比较，两种墨水的粘度都低于20cP，发现磁铁矿NPs是理想的软磁性材料，到49Am时，饱和磁化强度增加了一倍以上2/kg，矫顽场比镍减少4倍以上，为5.34kA/m。▲ 图4 磁铁矿和镍NP的磁滞回线从-1200到1200kA/m场
下图5显示了Jetlab 4使用60μm喷头在相片纸上分别针对单轴贴片、线圈、3mm网格的设计和打印情况。▲ 图5 （a）图像设计和（b）打印情况：（i）磁铁矿单轴贴片，（ii）磁铁矿线圈和（iii）网格设计和（iiiv）镍线打印
图6a所示的磁铁矿液滴接近球形，颗粒间存在良好的吸力，液滴半径约78.20±2.5μm，尺寸稳定。图b镍墨水液滴不稳定，在相纸上较离散，平均半径为70.7±1.5μm。磁铁矿打印的分辨率约为132DPI。在打印过程中可以通过加热使溶剂蒸发、减少溶质的扩散来减小液滴尺寸。 ▲ 图6 （a）相纸上打印的磁铁矿和（b）相纸上的镍墨水
磁铁矿NPs在液滴中的分布并不均匀，SEM图像中显示较大的融合NPs，影响液滴的粗糙度和高度。
▲图7 磁铁矿的SEM图和EDS图
与磁铁矿相比，镍NPs具有更高水平的孔隙率，由于溶剂含量高于磁铁矿。▲图8 镍墨水的SEM图和EDS图
图9所示，随着应变的增加，线圈和磁铁矿之间的距离增加，弯曲装置引起的张力将使力矩朝着应力方向对齐，可以通过增加打印的密度或层数来改善测量的磁场。 ▲图9 磁铁矿的电感-应变图
▲图10 磁铁矿打印线性拟合(a)截距，(b)斜率和(c) R2
▲图11 磁铁矿打印(a) 10层，(b) 20层，(c) 30层效果
▲图12 打印10、20、30层磁铁矿弯曲试验，测量电感-应变的函数
2 结语
本文通过喷墨打印磁致伸缩材料开发了一种传感器，并展示了改变打印形状和层数如何影响施加应变下的电感变化。研究中，通过喷墨打印技术将磁致伸缩材料油墨制备均匀液滴并打印在PI膜上，打印出的磁铁矿线圈的应变分辨率为0.12µStrain，远小于文献报道CoFeB材料的0.211µStrain，大大提高了检测灵敏度，这项工作使传感器的定制设计更为灵活，打破了磁致伸缩材料受限于3D挤出或粉末金属增材制造的限制，为未来结构监测和打印磁性材料的研究和发展提供了空间。未来的前景除了火箭、宇航等航空尖端科学领域，还可广泛应用于石油、化工、水利、制药、食品、饮料等行业的各种位置计量和监测等。
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.
[2] Bastola A K, Hossain M. The shape–morphing performance of magnetoactive soft materials[J]. Materials & Design, 2021, 211: 110172.
[3] Ahmed N, Deffley R, Kundys B, et al. 3D printing of magnetostrictive property in 17/4 ph stainless steel[J]. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2023, 585: 171115.
[4] Gullapalli A, Beedasy V, Vincent J D S, et al. Flat Inkjet‐Printed Copper Induction Coils for Magnetostrictive Structural Health Monitoring: A Comparison with Bulk Air Coils and an anisotropic magnetoresistive sensor (AMR) Sensor[J]. Advanced Engineering Materials, 2021, 23(9): 2100313.
[5] Voit W, Zapka W, Belova L, et al. Application of inkjet technology for the deposition of magnetic nanoparticles to form micron-scale structures[J]. IEE Proceedings-Science, Measurement and Technology, 2003, 150(5): 252-256.
[6] Raut N C, Al-Shamery K. Inkjet printing metals on flexible materials for plastic and paper electronics[J]. Journal of Materials Chemistry C, 2018, 6(7): 1618-1641.
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