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徐凯臣、蔡子墨、罗华昱、林星宇、杨赓、谢海波、Seung Hwan Ko、杨华勇
浙江大学
Xu K C, Cai Z M, Luo H Y, Lin X Y, Yang G, Xie H B, Ko S H, Yang H Y. 2024. An in-situ hybrid laser-induced integrated sensor system with antioxidative copper. Int. J. Extrem. Manuf. 6 065501.
https://doi.org/10.1088/2631-7990/ad6aae
撰稿 | 文章作者
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文章导读
以PEEK、PPS等特种工程复材为基底，集成原位感知功能的传感系统有助于设备的健康监测与运行维护。作为构建传感系统的重要材料，铜（Cu）兼具高导电性和低成本。然而，Cu易在高温环境中氧化失效。对于比表面积更大、表面活性更高的纳米铜，氧化问题更加明显。尽管已报道多种抗氧化技术（例如，在惰性氛围中使用热退火，或瞬时光子能量处理），但其往往成本高昂，整体效果不够理想。因此，以经济、可扩展的方式制造出兼具强抗氧化能力与高导电性的纳米铜，一直是挑战性难题。解决该难题有助于原位集成传感系统的制造。近期，浙江大学机械工程学院、流体动力基础件与机电系统全国重点实验室的徐凯臣研究员、蔡子墨博士生等人在SCI期刊《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上发表《一种具有抗氧化铜的激光融合直写原位集成传感系统》的论文。该工作提出了一种特种铜油墨，通过一步光热处理实现还原烧结和钝化，从而得到能够抵抗高温氧化的功能性Cu。基于激光融合制造技术，该工作在热塑性工程塑料上原位集成了功能性Cu互连导线、激光诱导碳基传感器和电路模块，实现了原位温度感知系统。该技术展现出用于飞机、高速列车等先进装备的健康监测和故障诊断的潜力。
关键词
激光融合制造；原位集成传感器系统；工程热塑性塑料；功能铜油墨；激光诱导钝化
通过激光一步式还原、烧结和钝化处理，制备出无封装、抗高温氧化的纳米铜（耐受高温170 ℃）。
采用激光融合制造技术，在特种工程复材上制造纳米铜互联导线和碳基传感器，实现了原位集成传感系统。
该一体化传感系统具有温度感知能力，展现出用于结构健康监测的潜力。
图1 用于共体电子的激光诱导原位集成传感器系统（LISS）。（a）用于飞机表面工程热塑性塑料的LISS示意图。该LISS由传感器、互连导线和信号处理模块组成。（b）连续绿色激光制造的LIP-Cu互连导线的示意图。(c) 红外激光制造碳基传感器的示意图。
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研究背景
工程热塑性塑料是广泛应用于航空航天、汽车、生物医学和电子领域的基础材料。它们具有优异的机械性能、轻量化特性和抗恶劣环境的能力。为了保障此类复合材料的安全性和延长使用寿命，对其装配传感器，用于结构健康监测和环境检测是可行的办法。常规的两种技术策略包括：贴附薄膜式的柔性传感器，以及在复材表面原位制造传感器。其中，原位制造方法允许传感器无缝贴合到目标表面，从而提高对复材内部变化的灵敏检测（如微裂纹、微小的温度变化或压力/应变变化）。此外，由于摆脱了薄膜的限制，这种原位集成策略更适合高温环境。
在原位集成传感系统中，昂贵的银（Ag）基油墨通常被用作主要的导电材料。作为替代方案，铜（Cu）基油墨因其高导电性和低成本更具吸引力。然而，由于CuO相的热力学稳定性，铜基纳米材料（如纳米颗粒、纳米线）在加工过程中及之后容易氧化，严重降低其导电性。尽管惰性氛围热退火或瞬时光子能量加工可以缓解铜的常温氧化，但其成本高昂，且无法解决高温环境下的氧化。因此，以经济和可扩展的方式使纳米铜惰性化，使其耐受高温，有助于形成工程热塑性塑料表面的特种导电互联和高性能原位传感系统。
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最新进展
这项工作提出了一种基于工程热塑性塑料的激光诱导原位集成传感器系统（LISS）。该系统主要由光热处理的功能性铜互连导线和碳基温度传感器组成，两者均通过激光混合直写实现。功能性铜互连导线能够抵抗氧化失效，并承受170°C的高温。集成信号处理电路后，该系统可用于长期和实时的温度监测。该集成传感系统结合了激光制造的简便性和定制化特性，在先进装备（如飞机、汽车、高速列车和医疗设备）的故障诊断中具有巨大潜力。
图2 耐高温LIP-Cu的基本性能表征。（a）功能性CuO油墨的组分示意图。（b）通过连续绿色激光制造 LIP-Cu的示意图，包括（i）激光还原烧结和（ii）激光诱导钝化的过程。Cu和LIP-Cu在（c）170 ℃（d）120 ℃和（e）100 ℃下的电阻变化率。插图是相对电阻变化达到特定数值时的时间。（f）Cu和LIP-Cu在升温过程中的电阻变化率，在每次升温10分钟（n = 5）。（g）Cu和LIP-Cu的FTIR光谱。（h）LIP-Cu分别在室温下14天、100 ℃下48小时、120 ℃下72小时和170 ℃下12小时后的SEM图像。刻度：2 μm。Cu和LIP-Cu分别在（i）室温下14天、（j）100 ℃下48小时、（k）120 ℃下72小时以及（l）170 ℃下12小时之后的的拉曼光谱。
图3 LIP-Cu的前驱体组分调控和加工参数调控。前驱体中的甲酸钠浓度对LIP-Cu的（a）高温电阻变化率和（b）拉曼谱的影响。（c）前驱体中的CuO纳米线浓度对LIP-Cu的薄层电阻的影响（n = 5）。插图显示功能性CuO油墨的照片。（d）前驱体的溶剂类型对LIP-Cu的高温电阻变化率的影响。插图是H2O、DMF和EG的分子结构。激光功率（n = 5）对LIP-Cu的（e）薄层电阻以及（f）170 ℃下4小时后的电阻变化率的影响。激光线间距（n = 5）对LIP-Cu的（g）薄层电阻以及（h）170 ℃下4小时后的电阻变化率的影响。（i）激光加工的Cu、LIC图案照片。（j）激光加工的Cu和前驱体CuO的照片（顶部）和能量色散光谱（EDS）（底部）。（k-l）激光混合加工的Cu和LIC的照片。
图4 基于工程热塑性塑料的原位集成温度传感系统。集成传感器系统的（a）功能框图和（b）实物图。激光PPI（n = 5）对LIC温度传感器的薄层电阻（c）和灵敏度（d）的影响。激光功率（n = 5）对LIC温度传感器的薄层电阻（e）和灵敏度（f）的影响。（d）和（f）插图是LIC温度传感器的照片。（g）腔室温度从20 ℃到100 ℃时集成温度传感系统的相对电阻变化率。（h）集成温度传感系统对80 ℃气流的响应。插图显示了测试方法。（i）商用温度传感器和集成温度传感系统在20 到100 ℃循环温度变化下的响应。
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未来展望
面向未来的工业应用，该项技术还需要进行一系列的研究和开发。当前提出的原位激光混合制造技术主要适用于平面表面，这限制了其在曲面共形电子中的应用。未来的研究将重点关注以下几个方面：一是将更多的传感单元（如压力、应变、湿度等）集成到系统中，以满足更广泛的应用需求；二是发展高质量的曲面制造技术，结合多材料沉积和多轴激光直写，实现任意复杂曲面上的原位集成传感系统。这些研究将有助于推动轻量化电子设备在航空航天、汽车、高速列车和医疗设备等领域的应用。
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作者简介
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关于期刊
International Journal of Extreme Manufacturing (《极端制造》），简称IJEM，致力于发表极端制造领域相关的高质量最新研究成果。自2019年创刊至今，期刊陆续被SCIE、EI、Scopus等20余个国际数据库收录。JCR最新影响因子16.1，位列工程/制造学科领域第一。中科院分区工程技术1区。
期刊网址：
https://iopscience.iop.org/journal/2631-7990
http://ijemnet.com/
期刊投稿：
https://mc04.manuscriptcentral.com/ijem-caep
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撰稿:作者 编辑：梁煜 范珂艳 审核：关利超
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