在過去的幾十年中，印刷電子產品引起了科學界和工業界的廣泛關注。然而到目前為止，基於可印刷性對其感測性能的系統研究尚未見報道。
本文作者提出了一種簡單、低成本的方法：利用炭和銀納米複合材料，通過絲網印刷工藝，來製造高柔性、高性能的敏感應變傳感器。在製備過程中，系統地研究了漿料流變性能和印刷圖案尺寸對傳感性能的影響，以調整傳感性能最優化。
實驗部分
1.CB/Ag漿料製備
採用一種簡單、低成本和低温的化學溶液工藝製備炭黑和銀納米顆粒的漿料。樹脂、分散體和溶劑以4:1:8的質量比混合，炭黑固體含量佔比分別為3.5%、17.5%和31.5%。原料用渦流攪拌器攪拌，每分鐘1000轉，攪拌3小時，將糊狀物加入混合物中，攪拌20分鐘，浸泡5分鐘，重複三次。
2.CB/Ag應變傳感器的研製
首先將不同配比的配方漿料加載到篩網上，以10cm/s的速度和6.8 mm的壓力擠壓0.3 mm，如圖1a所示。然後，將打印的圖案放在120攝氏度的真空烘箱乾燥1小時。將打印的傳感器連接到鎳帶和銀塗層，以評估其性能。
結果與討論
圖1b顯示了在PET基板上製造基於CB/AgNP的應變傳感器的絲網印刷工藝。在CB/AgNP漿料由於擠壓壓力而通過開口網孔滲透到基材中後，篩網通過拉力從基材上折斷，形成特定圖案的漿料。圖2顯示了使用錐板流變儀確定CB固體含量對圖案質量的影響時CB/AgNP漿料的流變行為。CB/AgNP-L，CB/AgNP-M和CB/AgNP-H的CB/AgNP比率分別為9:1、5:5和1:9。根據圖2a所示的穩態流動測試，在不同剪切速率下測得的粘度表明，所有三種漿料均表現出剪切稀化行為。對於CB/AgNP-L，CB/AgNP-M和CB/C，剪切速率從1.4到0.4 Pa.s，130.4到1.0 Pa.s和486.0到0.4 Pa.s時，漿狀油墨的粘度降低。這表明所有配製的油墨都適用於絲網印刷工藝。隨後，在參考區間 (0–30s)、高剪切區間 (30–60s) 和再生區間 (60–150s) 進行峯持步 (PHS) 試驗，如圖2b所示。該工藝模擬了實際的絲網印刷工藝，其應力值隨時間間隔的變化而變化，説明了漿料流動具有粘彈性特徵。另外，三種用於確定模式4的10保真度漿料的回收率與CB濃度成正比；回收率依次為CB/AgNP-H (3.5%)、CB/AgNP-M (17.5%)、CB/AgNP-L (31.5%)。這些值見於表1中。圖2c表明，從恢復行為看，PHS測試結果與模式保真度有顯著相關。隨着回收率按CB/AgNP-L、CB/AgNP-M的順序增加，圖案的尺寸更接近所期望的尺寸，線邊鋭度增加。
在這種情況下，由於印刷後恢復時間過短，不適合漿料的充分流平，導致在蒸發過程中出現空斑。此外，由於粘度過高，膏體更有可能陷入網孔。因此，選擇CB/AgNP-M作為優化漿料。
如圖3a所示，作者製作了6個具有不同線寬 (100微米和300微米) 和長度 (25、52毫米和78毫米)、厚度為110微米的應變傳感器，以研究圖形尺寸對靈敏度的影響。由於電阻式傳感器是由電極組成的，其電氣性能對獲得高靈敏度至關重要。圖3b給出了1–5 v梯度電壓下樣品的I-V曲線，其中電流輸出隨着外加電壓的增加而變化。根據每條線的線性斜率，六個不同的應變傳感器表現出均勻的電導率。此外，寬度越大、長度越短的傳感器電流越大，根據歐姆定律，這是合理的。
使用印刷傳感器的優點是其靈敏度可控。圖4a顯示的GF根據所施加的應變對傳感器進行測量。GF計算公式如下:
隨着應變的增加，應變相關的響應單調地增加。當應變對傳感器施加在0.61%–1.44%範圍時，決定傳感器靈敏度的GF為192.77–444.6，據我們所知，這是目前報道的基於CB的大應變印刷傳感器中最高的規格因子。此外，還可以通過尺寸效應來控制靈敏度。表2顯示了CB/AgNP漿料在靈敏度方面與之前的文獻結果相比的優異性能。CB/AgNP漿料在拉伸壓力下結阻變化較大，因此可以產生較高的GF，如圖4b所示。導電膜中的電子可以穿過重疊的納米材料的滲透晶格，傳感器的彎曲會導致重疊區域的減少甚至失去電連接，從而增加電阻。
作者研究了該傳感器的機械靈敏度和耐久性，以評價該傳感器在可穿戴電子設備中的應用性能。從圖5a可以看出，在不同的應變值下，響應連續而均勻的增加，可以看出計算的線性度為R2 = 0.9974。圖5b顯示了印刷CB/AgNP傳感器的高耐久性，在施加的應變為0.275%的情況下，超過1000次的反覆彎曲-釋放循環。以上所有的響應都是在無噪聲的情況下得到的。具體反應如圖5所示。在實際操作中，附着在人體上的傳感器會受到各種環境條件的影響。因此，其在不同的温度和濕度條件下，需要有較高的穩定性。圖5c顯示，隨着温度從20攝氏度升高到120攝氏度，阻力變化了1.3%。另外，濕度為70%時的電阻變化為0.057%，如圖5d所示。這一結果主要是由於炭黑及其鈍化層的內在性質所致。然而，在濕度超過70%時，觀察到的性能不穩定，這可能是由於水通過被動式層的可能性很高。
由於CB/AgNP應變傳感器具有高度的靈活性、可擴展性和靈敏度，可以應用於穿戴式柔性人體運動檢測平台。圖6a顯示的響應傳感器附在一個手指在彎曲角度的0–90°。此外，將CB/AgNP應變傳感器安裝在人體頸部，用於檢測頭部旋轉。具有較高的靈敏度，可以準確反映頭部旋轉情況，如圖6b所示。
綜上所述，本文亮點在於提出了一種基於CB/AgNP複合材料的新型絲網印刷應變傳感器。並且研究了不同寬度和長度的印刷傳感器的電學性能，評估了應變傳感器的靈敏度。作者表示，這是目前所報道的印刷傳感器中在該應變範圍內最高的靈敏度。而且，該傳感器在惡劣環境下能穩定地顯示出電阻變化。
期刊簡介
Applied Sciences?(ISSN 2076-3417，IF2.474) 作為開放獲取型國際期刊，主要發表應用自然科學研究領域相關的論文。期刊包括光學和激光、納米技術和應用納米科學、能源、材料、化學、機械工程、應用生物科學和生物工程、環境和可持續發展的科學技術和計算與人工智能等24個部門。Applied Sciences採取單盲同行評審，一審平均週期約為15.9天，文章從投稿到發表平均僅需35天。
