浙江大学徐凯臣研究员International Journal of Extreme Manufacturing：一种激光原位混合直写的抗氧化铜与集成传感系统
引用格式：
Kaichen Xu, Zimo Cai, Huayu Luo, et al. An In-Situ Hybrid Laser-Induced Integrated Sensor System with Antioxidative Copper[J]. International Journal of Extreme Manufacturing, 2024, 6, 065501.
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。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。
图1. 用于共体电子的激光诱导原位集成传感器系统（LISS）。
图2. 耐高温LIP-Cu的基本性能表征。
图3. LIP-Cu的前驱体组分调控和加工参数调控。
图4. 基于工程热塑性塑料的原位集成温度传感系统。
综上所述，本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，二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高温。集成信号处理电路后，该系统可用于长期和实时温度监测。该集成传感系统结合了激光制造的简便性和定制化特点，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。
面向未来工业应用，该项技术还需要进行一系列研究和开发。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。未来研究将重点关注以下几方面：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。
相应的成果以“An In-Situ Hybrid Laser-Induced Integrated Sensor System with Antioxidative Copper”为题发表在International Journal of Extreme Manufacturing上。文章通讯作者为浙江大学机械工程学院徐凯臣研究员。
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