一种液态金属磁电传感器及其一体化增材制造方法技术

本发明专利技术属于柔性磁电传感器制备技术领域，具体公开了一种液态金属磁电传感器及其一体化增材制造方法，方法包括以下步骤：采用3D打印技术，利用混合粉末按照预先构建的磁性基体三维模型打印出三维多孔基体结构，混合粉末包括混合均匀的柔性高分子粉末和强磁性粉末；对三维多孔基体结构充磁，以得到三维多孔磁性基体；对三维多孔磁性基体湿润处理，并将膏状液态金属转印到湿润的三维多孔磁性基体的内外表面上，以得到一体化成形的液态金属磁电传感器。本发明专利技术制备柔性磁电传感器的效率更高。本发明专利技术制备柔性磁电传感器的效率更高。本发明专利技术制备柔性磁电传感器的效率更高。

【技术实现步骤摘要】
一种液态金属磁电传感器及其一体化增材制造方法


[0001]本专利技术属于柔性磁电传感器制备
，更具体地，涉及一种液态金属磁电传感器及其一体化增材制造方法。

技术介绍

[0002]柔性传感器是指采用柔性材料制成的传感器，具有良好的柔韧性、延展性，而且结构形式灵活多样，能够非常方便地对复杂被测环境进行检测。自供电的柔性传感器由于其无源、体积小、低成本制造和维护的明显优势表现出更大的应用潜力。其中柔性应变传感器主要利用压电效应、摩擦电效应或电磁感应效应三种转化途径，可以将生物机械能转化为可视的电信号，因而在可穿戴设备，智能机器人，医疗监测设备等领域具有广阔的应用前景。目前基于压电效应和摩擦电效应的自供电柔性传感器较为常见，而基于电磁感应效应的自供电柔性传感器较少。尽管压电效应或摩擦电效应可以迅速地将机械能转化为电能，但这类传感器有相当大的内阻从而导致电能的损失，使其应用受到一定限制。
[0003]目前已有采用模具成形和组装的方法制备柔性磁电传感器的相关专利文献，例如，申请号为202210060954.6的专利文献中公开了一种主动伸缩式磁电传感器，其由模具法成形的嵌设有导电线圈的弹性件与嵌设有磁性体的另一弹性体组装而成，该种组装制造方法效率较低。现有采用增材制造和组装方法制备具有复杂结构的柔性磁电器件的相关专利文献，例如，专利文献202010158697.0中公开了一种基于4D打印的柔性压电传感器及制备方法，将增材制造的磁性部分和导电部分组合在一起，实现了构件在外力作用下压电性能和传感功能的可控变化。然而，这种磁电传感器成形方法仍存在以下缺点：(1)需要将磁性材料部分与导电部分分开单独制造后再组装，生产效率低；(2)制备过程需考虑磁性材料部分与导电部分刚度以及尺寸的匹配问题，制备难度高；(3)磁电器件可产生明显电信号的形变方向单一，结构设计自由度低。因此，针对上述问题，亟待一种新型的柔性磁电传感器的高效制备方法。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种液态金属磁电传感器及其一体化增材制造方法，以解决现有柔性磁电感应器的制备方法制备效率低、且制备难度高的问题。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了一种液态金属磁电传感器及其一体化增材制造方法，包括以下步骤：
[0006]S1采用3D打印技术，利用混合粉末按照预先构建的磁性基体三维模型打印出三维多孔基体结构，所述混合粉末包括混合均匀的柔性高分子粉末和强磁性粉末；
[0007]S2对所述三维多孔基体结构充磁，以得到三维多孔磁性基体；
[0008]S3对所述三维多孔磁性基体湿润处理；
[0009]S4将氧化处理后呈膏状的液态金属转印到湿润的所述三维多孔磁性基体的内外
表面上，以得到一体化成形的液态金属磁电传感器。
[0010]进一步的，步骤S1中，所述强磁性粉末占所述混合粉末的质量分数为20％
‑
50％。
[0011]进一步的，步骤S1中，所述柔性高分子材料为热塑性聚氨酯粉末，所述强磁性粉末为钕铁硼粉末、铁氧体粉末、铁镍粉末或铁钴粉末中至少一种金属粉末。
[0012]进一步的，所述液态金属至少包含镓金属组分；优选的，所述液态金属还包含铟和锡中的至少一种金属组分。
[0013]进一步的，膏状液态金属的氧化处理方法为：利用磁力搅拌机对所述液态金属搅拌预设时间进行氧化处理，从而制得含有固体氧化物的膏状液态金属。
[0014]进一步的，步骤S1中，制备混合粉末的方法为：将所述柔性高分子粉末和所述强磁性粉末烘干，得到烘干粉末；再将所述烘干粉末与流变助剂一同进行混合，制得所述混合粉末。
[0015]进一步的，步骤S2中，打印所述三维多孔基体结构的方法为：采用激光选区烧结工艺，利用所述混合粉末激光烧结成形以得到所述三维多孔基体结构；或采用挤出熔融工艺，利用所述混合粉末制备丝材，利用所述丝材挤出熔融成形以得到所述三维多孔基体结构。
[0016]进一步的，步骤S3中，利用粘结剂润湿所述三维多孔基体结构；所述粘结剂优选为聚乙烯醇或聚甲基丙烯酸酯溶液。
[0017]进一步的，步骤S3中，将所述膏状液态金属多次涂抹于所述三维多孔磁性基体表面，并使所述膏状液态金属在重力作用下由上至下、由外到内浸入所述三维多孔磁性基体内，使所有孔洞结构表面均匀布满一定厚度的液态金属膜。
[0018]一种采用如前任一所述的一体化增材制造方法制备出的液态金属磁电传感器，包括：
[0019]三维多孔磁性基体，其为按照预先构建的磁性基体三维模型，利用柔性高分子材料和强磁性粉末混合形成的混合粉末采用3D打印技术制成，并且其在外力作用下能发生形变；
[0020]以及导电通路，其由转印于所述三维多孔磁性基体内外表面上的膏状液态金属构成，当所述三维多孔磁性基体发生形变时，所述导电通路也跟随所述三维多孔磁性基体发生形变，进而使得穿过所述导电通路的磁通量变化，以产生电信号。
[0021]通过本专利技术所构思的以上技术方案，与现有技术相比，主要具备以下优点：
[0022]1.本专利技术通过3D打印技术，采用柔性高分子粉末材料和强磁性粉末材料混合均匀得到的复合材料一体成形制得三维多孔基体结构，保证了三维多孔基体结构具有良好的压缩力学性能，同时利用转印技术将液态金属转印到充磁后的三维多孔基体结构上形成导电通路，解决了磁性材料部分与导电部分刚度系数的匹配问题，并且三维多孔基体结构是按照预先构建的多种三维多孔基体模型打印而成的，而三维多孔基体模型可自由设计为多种形状。
[0023]2.本专利技术在三维转印过程中预先采用粘结剂润湿三维多孔磁性基体，有效解决了膏状液态金属与3D打印基体之间润湿性差、难以直接粘附的问题，该粘结剂既充分填充了3D打印基体表面的微小缝隙，从而增加了液态金属的有效粘附面积，又与液态金属之间形成强氢键，促进液态金属的稳定粘附，使制备得到的液态金属磁电传感器一体化程度高。
[0024]3.本专利技术中通过氧化处理得到膏状液态金属，既降低了液态金属的表面张力和流
动性，还加强了液态金属与粘结剂间的强氢键作用，可使三维多孔磁性基体发生机械变形时，附着在粘结剂表面的液态金属表现出自主表面协调的特性，将膏状液态金属涂布到三维多孔磁性基体上后，液态金属层可根据压缩/回复后的多孔结构自动重建其表面，因而实现了可逆压缩的导电通路的制备。
[0025]4.本专利技术采用增材制造技术实现了磁性可压缩点阵与三维导电通路结构的一体化制备，从而避免了多个零部件的装配过程，同时，液态金属的随形粘附使得三维多孔磁性基体在任意方向的形变均会导致导电通路中磁通量的改变，因而液态金属磁电传感器具有高设计自由度，可将三维多孔结构模型设计成不同的单元尺寸、体积分数以及体积分数梯度变化的多种三维点阵结构模型。
附图说明
[0026]图1是本专利技术实施例所制备的一种液态金属磁电传感器的结构示意图；
[0027]图2是本专利技术实施例所制备的一种液态金属磁本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种液态金属磁电传感器的一体化增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：S1采用3D打印技术，利用混合粉末按照预先构建的磁性基体三维模型打印出三维多孔基体结构，所述混合粉末包括混合均匀的柔性高分子粉末和强磁性粉末；S2对所述三维多孔基体结构充磁，以得到三维多孔磁性基体；S3对所述三维多孔磁性基体湿润处理；S4将氧化处理后呈膏状的液态金属转印到湿润的所述三维多孔磁性基体的内外表面上，以得到一体化成形的液态金属磁电传感器。2.如权利要求1所述的一种液态金属磁电传感器的一体化增材制造方法，其特征在于，步骤S1中，所述强磁性粉末占所述混合粉末的质量分数为20％
‑
50％。3.如权利要求1所述的一种液态金属磁电传感器的一体化增材制造方法，其特征在于，步骤S1中，所述柔性高分子材料为热塑性聚氨酯粉末，所述强磁性粉末为钕铁硼粉末、铁氧体粉末、铁镍粉末或铁钴粉末中至少一种金属粉末。4.如权利要求1所述的一种液态金属磁电传感器的一体化增材制造方法，其特征在于，所述液态金属至少包含镓金属组分；优选的，所述液态金属还包含铟和锡中的至少一种金属组分。5.如权利要求1所述的一种液态金属磁电传感器的一体化增材制造方法，其特征在于，膏状液态金属的氧化处理方法为：利用磁力搅拌机对所述液态金属搅拌预设时间进行氧化处理，从而制得含有固体氧化物的膏状液态金属。6.如权利要求1所述的一种液态金属磁电传感器的一体化增材制造方法，其特征在于，步骤S1中，制备混合粉末的方法为：将所述柔性高分子粉末和所述强磁性粉末烘干，...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫春泽，罗瑞莹，伍宏志，史玉升，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：