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3D打印创建高灵敏度应变计用于高温应用

发布时间:2018-01-25 08:53:26

   飞机,桥梁和称重站有什么共同点?如果你回答应变计,你是对的。这些简单的装置测量物体上的应变或拉力。当您将变形应用到(伸展)应变仪时,物体的阻力会发生变化,这样会告诉您物体(如飞机机翼,桥梁或汽车)目前正在发生多大的变形。之前,大家已经看到3D打印的应变片和传感器,但是卡耐基梅隆大学(CMU)机械工程副教授RahulPanat正领导一个由研究人员组成的合作团队,他们开发了一种新的3D打印应变计方法,提高了它们的灵敏度,同时使它们能够用于高温应用。      

   Panat也是大学NextManufacturing中心的一员,他说:“任何地方都有机械系统的偏转,你会看到应变计,这是很多地方!”这个团队由来自CMU(对3D打印有一些了解)的研究人员,华盛顿州立大学和德克萨斯州埃尔帕索大学的研究人员组成。团队开发的方法打破了所谓的泊松比(PoissonRatio),它描述了一种材料在另一个方向伸展时会收缩多少,约为40%。这个比例是对固体应变仪的灵敏度的限制-根据Pahat的说法,固体材料的最大泊松比约为0.5。  

   Panat说明说:“更多的收缩意味着更高的灵敏度,所以通过采用这种新的制造方法,大家可以获得更加灵敏的应变计,在这种方法中,大家可以印刷材料的纳米颗粒,并通过受控烧结来产生这种孔隙。”

   由传统制造方法制成的应变计采取固体薄膜的形式。但是该团队使用气溶胶喷射3D打印技术来制造应变计,该应变计利用热量来控制部分聚结的纳米颗粒的烧结,从而形成多孔薄膜。当这种由于3D打印方法而含有许多微孔的薄膜被拉伸时,它可以比固体薄膜罐收缩更多。帕纳特说:“由于影片的孔隙率,大家看到一个有效的泊松比约为0.7,这意味着对于一个给定的影片变形,大家有大约40%的横向收缩增加。这使得应变仪对测量更为敏感。”      

   该团队最近发表了一篇关于他们的新方法的论文,题为“用于高温应用的3D打印的高性能应变传感器”,在JournalofAppliedPhysics;合着者包括MdTaiburRahman,RussellMoser,HusseinM.Zbib,C.V.拉马纳和帕纳特。  

   根据摘要,“由于漂移电流,材料氧化,热应变和蠕变引起的电气稳定性的下降,高温物理测量传感器的实现在许多当前和新兴技术中是非常具有挑战性的。在本文中,大家首次证明了3D打印的传感器显示出类似超材料的行为,从而获得了高灵敏度,低热应变和增强的热稳定性等优越性能。传感器采用银(Ag)纳米粒子(NPs)制造,采用先进的基于气溶胶喷射的添加剂印刷方法,然后进行热烧结。”  

   研究人员在OptomecAerosolJet300系列系统上打印传感器,然后在高达500°C的温度下进行循环应变测试。除了具有增加的灵敏度的应变仪之外,还发现测量系数比市售仪表高近60%。  

   “材料之所以会出现热应变,是因为材料受热时自然膨胀。在大家的案例中,由于单独的热量,多孔膜的整体膨胀比固体膜要小得多”Panat说。“用这种新技术创造的影片不会那么多,所以大家大大减少了高温应用中的误差。”  

   这些结果表明,3D打印技术可能潜在地用于制造高性能,稳定的传感器,用于需要高温的应用,如核电,航空航天和发电系统。传统制造的固体应变计更容易受到热加热干扰导致的误差,但是研究团队的3D打印多孔应变仪却没有同样的问题。