向雨嫣 劉馬寶 張彥軍 彭航 寧宇

摘 要：印刷傳感器是利用印刷電子技術(shù)將導(dǎo)電墨水直接在基板上沉積圖案或電路而形成的傳感器，具有低成本、易操作、可大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，在飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測等領(lǐng)域極具應(yīng)用潛力。本文首先按照導(dǎo)電顆粒的分類標(biāo)準(zhǔn)，分別介紹了金屬、碳系、聚合物三類導(dǎo)電墨水。隨后詳細(xì)介紹了制造印刷傳感器的三大技術(shù)：噴墨打印、絲網(wǎng)印刷及增材制造。同時，本文還回顧了目前印刷傳感器在飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測上的三類主要應(yīng)用，包括應(yīng)力/應(yīng)變傳感器、損傷傳感器以及溫度傳感器。最后，展望了印刷傳感器的發(fā)展趨勢，為印刷傳感器在飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域的研究與應(yīng)用提供有益參考。

關(guān)鍵詞： 印刷傳感器； 飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測； 印刷電子技術(shù)； 導(dǎo)電墨水； 噴墨打??； 絲網(wǎng)印刷； 增材制造

中圖分類號：V219 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2023.06.001

基金項目： 國家自然科學(xué)基金（51175404）；航空科學(xué)基金（2016347003）；陜西省重點(diǎn)研發(fā)計劃（2018ZDCXL-GY-03-01）

為了滿足日益增長的市場需求和應(yīng)對惡劣的服役條件，飛機(jī)設(shè)計逐漸趨于復(fù)雜化和智能化，對飛機(jī)設(shè)計者和操作者提出了更高要求，如容量更大、飛行時間更長、使用年限更久等。隨著航空材料的研發(fā)突破，現(xiàn)代飛機(jī)將更多地使用復(fù)合材料來提高綜合性能，而復(fù)合材料的失效模式較傳統(tǒng)金屬材料更加復(fù)雜，難以預(yù)測[1]。另外，大批在役飛機(jī)已經(jīng)開始老化，需要進(jìn)行定期檢測、維修、及時更換受損部位。而傳統(tǒng)檢修維護(hù)方式存在間隔周期長、操作復(fù)雜、耗時長、受人為因素影響容易誤判、成本高昂等諸多問題，因此需要一種新的技術(shù)手段，能夠?qū)崿F(xiàn)在線診斷、預(yù)測故障位置及發(fā)展趨勢，評估結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性，從而及時進(jìn)行故障維修、延長飛機(jī)的使用壽命，即結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)。

典型的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測包含三個主要子系統(tǒng)：傳感器子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)和健康評估子系統(tǒng)[2]。首先是由分布在被測結(jié)構(gòu)上的傳感器網(wǎng)絡(luò)測量結(jié)構(gòu)響應(yīng)，其次是通過數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)傳遞信號，最后是由健康評估子系統(tǒng)進(jìn)行信號處理與分析，從而評估其健康狀態(tài)。在這個過程中，傳感器子系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)量、數(shù)據(jù)類型以及數(shù)據(jù)質(zhì)量都對最后的診斷結(jié)果有著決定性的影響。因此，傳感器作為實現(xiàn)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的關(guān)鍵元件，成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前已在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)中研究比較成熟的傳感器主要有壓電導(dǎo)波傳感器[3]、光纖光柵傳感器[4]、聲發(fā)射傳感器[5]等。但這些傳感器在飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測上的應(yīng)用還存在諸多限制，如傳感器網(wǎng)絡(luò)所需的傳感元器件數(shù)量往往偏多、需要大量引線和監(jiān)控通道、難以滿足結(jié)構(gòu)輕量化要求、成本高昂、貼裝費(fèi)時費(fèi)力等。因此，亟須改進(jìn)現(xiàn)有傳感器制備工藝、開發(fā)新型傳感器以滿足實際飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的應(yīng)用需求。

印刷電子技術(shù)是一種商業(yè)上可行的電子制造技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)大面積、形狀厚度可控的電子產(chǎn)品制造[6]。由于該技術(shù)生產(chǎn)成本低、過程簡單、操作設(shè)計簡便，且制造出的產(chǎn)品性能優(yōu)異，在發(fā)光顯示器件[7]、太陽能電池[8]、傳感器[9-10]等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。相比于傳統(tǒng)傳感器制作工藝及其集成方法，印刷傳感器是利用噴墨打印、絲網(wǎng)打印、3D打印等先進(jìn)印刷技術(shù)直接在基板材料上按照設(shè)定圖案沉積材料而成，具有質(zhì)量輕、面積大、成本低、可集成一體化等優(yōu)點(diǎn)，工藝簡單，甚至能夠?qū)崿F(xiàn)在飛機(jī)復(fù)雜結(jié)構(gòu)上原位制備，實現(xiàn)關(guān)鍵部位的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，已成為飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域新的研究方向。

本文綜述了目前印刷傳感器制造所使用的導(dǎo)電墨水、印刷工藝以及其在飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測上的應(yīng)用，總結(jié)了印刷傳感器在該領(lǐng)域的應(yīng)用前景和面臨的挑戰(zhàn)。

1 用于印刷傳感器制造的導(dǎo)電墨水

印刷電子技術(shù)所使用的導(dǎo)電墨水會直接影響其制備出的傳感器的電導(dǎo)率以及綜合性能，所以選擇合適的導(dǎo)電墨水對印刷傳感器制造來說非常重要。滿足條件的導(dǎo)電墨水一般由4個組分構(gòu)成：溶劑、黏合劑、添加劑和導(dǎo)電顆粒[11]。溶劑用來溶解黏合劑及添加劑，可調(diào)節(jié)導(dǎo)電墨水的黏度[12]。黏合劑有助于導(dǎo)電顆粒均勻分散在導(dǎo)電墨水中，在溶劑蒸發(fā)時起到將導(dǎo)電墨水組分保持在一起的作用。添加劑則是為了賦予墨水除導(dǎo)電外所需的綜合特性（如流變性、機(jī)械性能等）。導(dǎo)電顆粒為導(dǎo)電墨水提供電導(dǎo)率、壓電性等電磁學(xué)性能，直接決定了印刷傳感器最終的性能好壞，是導(dǎo)電墨水中最重要的組分。根據(jù)導(dǎo)電顆粒的不同，目前用于印刷傳感器制造的導(dǎo)電墨水主要分為金屬導(dǎo)電墨水、碳系導(dǎo)電墨水以及聚合物導(dǎo)電墨水三類。

1.1 金屬導(dǎo)電墨水

目前，金屬導(dǎo)電墨水的導(dǎo)電填料主要為金、銀、銅、鎳、鋁。金、銀粒子由于具有優(yōu)異的導(dǎo)電性與穩(wěn)定性，成為目前較為常用的金屬系導(dǎo)電顆粒材料。

1.1.1 金（Au）導(dǎo)電墨水

金納米粒子由于其優(yōu)異的導(dǎo)電性能、高穩(wěn)定性[13]，是導(dǎo)電顆粒的最佳候選之一。制備導(dǎo)電墨水所用的金納米顆粒大多通過超聲波噴霧熱解工藝合成，該方法操作簡單、經(jīng)濟(jì)可行，且可以制備出各種類型的金納米粒子，適合大規(guī)模制備[14]。隨著研究的深入，學(xué)者們逐漸開發(fā)出制備金納米顆粒的新方法。圖1給出了一些制備方法示意圖及金納米粒子的微觀圖像[15-17]，其中，圖1（a）為金納米粒子的電鏡圖像[15]；圖1（b）為商用金納米粒子導(dǎo)電墨水的制備流程[16]；圖1（c）為單晶金納米線網(wǎng)絡(luò)掃描電鏡圖像；圖1（d）為單晶金納米線網(wǎng)絡(luò)生長示意圖[17]。N. V. Godoy等[15]采用種子介導(dǎo)生長法合成了金納米微球，并以此為導(dǎo)電顆粒制備導(dǎo)電墨水，該導(dǎo)電墨水具有一定的高穩(wěn)定性。He Hui等[17]研制出一種方法，在纖維素納管Au導(dǎo)電墨水具有良好的導(dǎo)電性和化學(xué)穩(wěn)定性，但材料本身昂貴的價格限制了它在印刷電子技術(shù)領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用。

1.1.2 銀（Ag）導(dǎo)電墨水

納米銀導(dǎo)電墨水導(dǎo)電性能強(qiáng)，且經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)于金導(dǎo)電墨水，是目前印刷傳感器領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的導(dǎo)電墨水。圖2給出了一些納米銀導(dǎo)電墨水的研究實例[18-21]，其中，圖2（a）為銀納米粒子掃描電鏡（SEM）圖像[18]；圖2（b）～圖2（c）為銀納米線的掃描電鏡低倍/高倍圖像[19]。圖2（d）為二維網(wǎng)格圖案[20]；圖2（e）為三維波形結(jié)構(gòu)[20]；圖2（f）為紙基柔性天線[21]。銀納米粒子主要是通過化學(xué)還原法合成的，具有設(shè)備簡單、容易操作、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)[18]。Shao Weifang等[22]采用濕化學(xué)還原法制備出了粒徑小、分散性好的銀納米粒子，將其混合制成銀導(dǎo)電墨水經(jīng)絲網(wǎng)印刷和燒結(jié)后的導(dǎo)電板具有優(yōu)異的導(dǎo)電率。Ke Shenghai等[19]成功制備了水溶性銀納米線導(dǎo)電墨水，經(jīng)過絲網(wǎng)印刷獲得的導(dǎo)電電極具有良好的拉伸性能及導(dǎo)電性能?？紤]到大多數(shù)還原劑中的化學(xué)物質(zhì)對環(huán)境有潛在威脅，Deng Dunying等[23]研發(fā)了一種綠色環(huán)保的濕化學(xué)還原法，以雙氧水和乙基纖維素為還原劑和分散劑合成納米銀粒子，同時以乙基纖維素為納米銀導(dǎo)電墨水的黏結(jié)劑，其附著力好，電導(dǎo)率也符合應(yīng)用需求。

1.2 碳系導(dǎo)電墨水

在碳系導(dǎo)電墨水方面，已經(jīng)發(fā)展出了以石墨烯、碳納米管為代表，包含碳黑、石墨在內(nèi)的多種導(dǎo)電墨水。這里對導(dǎo)電性能優(yōu)異、應(yīng)用較為廣泛的碳納米管和新近開發(fā)的石墨烯導(dǎo)電墨水進(jìn)行具體介紹。

1.2.1 石墨烯導(dǎo)電墨水

石墨烯由于具有出色的導(dǎo)電性能和較高的強(qiáng)度、優(yōu)良的柔韌性及化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)異性能，在印刷電子領(lǐng)域備受關(guān)注。但石墨烯在一般溶劑中的分散性較差，使其應(yīng)用受限，需要添加合適的分散劑來緩解團(tuán)聚。DybowskaSarapuk等對比發(fā)現(xiàn)未加入分散劑時圖案模糊、樣品具有非均勻性，而加入分散劑后有明顯改善。為了使導(dǎo)電墨水的制備過程更加環(huán)保、可批量生產(chǎn)[24]，Xu Lingyun等[25]開發(fā)了一種利用微流化技術(shù)制備石墨烯導(dǎo)電墨水的新方法，制備出的石墨烯薄膜具備高導(dǎo)電性、柔韌性及穩(wěn)定性。為了提高綜合性能，也常在石墨烯導(dǎo)電墨水中添加其他填料。如D. S. Saidina等[26]采用溶劑熱反應(yīng)法用2-丙醇和乙二醇作為混合溶劑，制備了石墨烯/高分子聚合PEDOT∶PSS混合基導(dǎo)電墨水，并通過試驗證實其穩(wěn)定性及導(dǎo)電性均優(yōu)于石墨烯基導(dǎo)電墨水。

1.2.2 碳納米管導(dǎo)電墨水

除了石墨烯，碳納米管也是碳基導(dǎo)電墨水中應(yīng)用較為廣泛的材料之一，圖3給出了兩個應(yīng)用實例[27-28]，其中，圖3（a）為絲網(wǎng)印刷碳納米管電極[27]；圖3（b）為印刷碳納米管薄膜晶體管；圖3（c）為用于打印器件的超聲波霧化器；圖3（d）為在不同溫度下打印的碳納米管薄膜的光學(xué)圖像[28]。Chen Bolin等[29]在去離子水中加入單壁碳納米管和十二烷基硫酸鈉表面活性劑，在冰水浴中通過超聲使混合物均勻分散成為導(dǎo)電墨水，并通過直寫技術(shù)印刷全封裝超級電容器，其能量和功率性能都十分出色。碳納米管基導(dǎo)電墨水在印刷后通常會出現(xiàn)咖啡環(huán)效應(yīng)，影響成品的形態(tài)及電導(dǎo)率[30]。Lu Shiheng等[28]使用甲苯稀釋商用碳納米管導(dǎo)電墨水，并添加黏性的高沸點(diǎn)溶劑松油醇，發(fā)現(xiàn)其對咖啡環(huán)效應(yīng)有明顯的抑制效果，且通過試驗發(fā)現(xiàn)低溫下的碳納米管油墨有利于提高印刷器件的均勻性和穩(wěn)定性。該研究中提到的印刷碳納米管薄膜晶體管結(jié)構(gòu)、技術(shù)設(shè)備及不同溫度下薄膜的光學(xué)圖像分別如圖3（b）～圖3（d）所示。

1.3 聚合物導(dǎo)電墨水

導(dǎo)電聚合物擁有優(yōu)秀的機(jī)械加工特性及獨(dú)特的電子特性，結(jié)合低成本的印刷電子技術(shù)可進(jìn)一步拓寬其應(yīng)用市場。H. Yuk等[31]開發(fā)了一種膏狀聚合物導(dǎo)電墨水，以導(dǎo)電聚合物PEDOT：PSS為填料，經(jīng)過低溫冷凍，然后在水和二甲基亞砜混合物中分散而成，可通過3D打印技術(shù)制造高導(dǎo)電、高分辨率的微結(jié)構(gòu)，制備過程中的示意圖及電鏡圖像如圖4（a）～圖4（f）所示。Chu Xiang等[32]提出了一種組裝—分散策略，組裝聚苯胺鏈（PANI）/檸檬酸（CA）納米薄片，然后經(jīng)攪拌或超聲處理分散在水中形成導(dǎo)電墨水，過程如圖4（g）所示。該導(dǎo)電墨水具有高導(dǎo)電率，為未來印刷電子技術(shù)提供了一種成本低、效益好且環(huán)境友好的新方法。雙馬來酰亞胺（BMIs）是一種具有良好的機(jī)械、熱、電及化學(xué)穩(wěn)定性的聚合物，I. Gouzman等[33]加入稀釋劑乙酸己酯及光引發(fā)劑，制備出了雙馬來酰亞胺基導(dǎo)電墨水，又叫DIPI導(dǎo)電墨水，試驗證明DIPI印刷產(chǎn)品具有低介電常數(shù)、高介電強(qiáng)度及低濕性，具有一定的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

對上述三類不同類型導(dǎo)電墨水的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行簡單小結(jié)，見表1。

2 印刷傳感器的制造方法

目前，已經(jīng)有不少印刷電子技術(shù)實現(xiàn)了傳感器的制造，包括噴墨打印、絲網(wǎng)印刷、3D打印、凹版印刷以及墨水直寫，各種技術(shù)對導(dǎo)電墨水的材料性能參數(shù)要求有所不同，主要體現(xiàn)在墨水黏度上，如噴墨打印需要低黏度的墨水以獲得高分辨率的薄膜，而絲網(wǎng)印刷需要高黏度的導(dǎo)電墨水以沉積較厚的膜層。本文對比總結(jié)了不同技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及適用的墨水黏度，見表2。其中，在印刷傳感器領(lǐng)域應(yīng)用較為成熟的主要有噴墨打印、絲網(wǎng)印刷以及3D打印技術(shù)，這里主要對這三種技術(shù)進(jìn)行相關(guān)綜述。

2.1 噴墨打印技術(shù)

噴墨打印能夠持續(xù)穩(wěn)定地噴出微小液滴，沉積形成設(shè)定圖形，分辨率可達(dá)微米級別，是一種可制造印刷傳感器的低成本技術(shù)。按工作原理，可將噴墨打印技術(shù)分為連續(xù)噴墨打印和按需噴墨打印兩種，如圖5所示[34]。

連續(xù)噴墨打印，就是在打印過程中，導(dǎo)電墨水在壓力的作用下被連續(xù)地推動通過噴嘴，如圖5（a）所示。在印刷過程中，液滴帶電通過場板偏轉(zhuǎn)后落在基材上，形成預(yù)定圖案，其余的液滴則由捕集器統(tǒng)一回收。在連續(xù)噴墨打印中，聚集是研究人員十分關(guān)注的問題，即多余的墨水沉積在電極表面，會影響長期可靠性。為了解決這一問題，M. C. Rodriguez-Rivero等[35]研發(fā)了一種激光高速可視化技術(shù)來觀察聚集，結(jié)果表明聚集主要來自打印液滴脫落的小衛(wèi)星液滴，這一研究可以幫助進(jìn)一步了解打印堆積現(xiàn)象、提高打印可靠性。

與連續(xù)噴墨打印相比，按需噴墨打印系統(tǒng)沒有回收導(dǎo)電墨水的步驟，噴嘴只在需要形成圖案時噴射墨水，且能夠打印相對較小的特征。目前已發(fā)展了多種按需噴墨打印技術(shù)，包括壓電噴墨打印、氣溶膠噴印及電流體噴印等技術(shù)。其中壓電噴墨打印為目前的主流技術(shù)，通過壓電驅(qū)動桿將導(dǎo)電墨水壓入噴嘴控內(nèi)形成液滴，液滴加速后在噴嘴頂端釋放[36]，實現(xiàn)打印功能。為了減少印刷過程中衛(wèi)星液滴的產(chǎn)生，Zhou Jian等[37]研發(fā)了一種同軸氣流輔助的壓電按需噴墨液滴發(fā)生器，該方法有利于減少衛(wèi)星液滴的產(chǎn)生，提高印刷質(zhì)量。S. H. Kang等[38]利用高速攝像機(jī)分析了不同壓電電壓及不同溫度下的按需噴墨打印性能，證實使用冷卻導(dǎo)電墨水會更加穩(wěn)定。

2.2 絲網(wǎng)印刷技術(shù)

絲網(wǎng)印刷技術(shù)是一種模板印刷技術(shù)，其工作原理如圖6所示[39]。將基底放置在絲網(wǎng)下面，墨水只能從絲網(wǎng)網(wǎng)版的圖案部分透出，所以導(dǎo)電墨水能隨著刮刀的移動而均勻印刷在基底上覆蓋圖案區(qū)域，而其余地方形成空白。絲網(wǎng)印刷可以有效提高印刷質(zhì)量，但會受到印刷過程中各種參數(shù)的影響。Zhou Yingying等[40]證實導(dǎo)電墨水的流變性會對絲網(wǎng)印刷形態(tài)產(chǎn)生影響，導(dǎo)電墨水的表面黏度及壁滑移特性能幫助預(yù)測和控制印刷紋理的形態(tài)。為探究碳基導(dǎo)電墨水流變性對絲網(wǎng)印刷效果的影響，S. J. Potts等[41]將商用碳基導(dǎo)電墨水稀釋到不同程度，通過高速成像、流變分析等方法進(jìn)行研究，提出墨水的流變特性對其分離機(jī)制的影響可量化，直接影響到印刷特性及產(chǎn)品性能。Zhen Wei等[42]研究了絲網(wǎng)幾何參數(shù)如絲網(wǎng)數(shù)、絲徑、開孔率等對印刷質(zhì)量及精度的影響，針對銀絲網(wǎng)印刷提出了一種高回彈性金屬絲網(wǎng)，可提高印刷精度。

2.3 增材制造技術(shù)

增材制造，又稱3D打印，基于離散-堆積原理，按照零件的三維數(shù)據(jù)逐層創(chuàng)建組件。增材制造技術(shù)的流程如圖7（a）所示，首先借助三維掃描、CAD軟件或攝影測量技術(shù)得到虛擬模型，然后將其轉(zhuǎn)換為STL文件，對其進(jìn)行切片獲得一系列二維橫截面，最后通過逐層堆積的方式得到實物[43]。由于3D打印技術(shù)能夠打印復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)，提高制造速度及質(zhì)量，其在印刷傳感器方面有很大的應(yīng)用前景。M. Emon等[44]研制了一種多材料直接打印系統(tǒng)，并用該系統(tǒng)實現(xiàn)了壓力傳感器的多材料3D打印，該傳感器可適應(yīng)部件受彎曲或沖擊的應(yīng)用情況。多材料直接打印系統(tǒng)及幾種多材料3D打印結(jié)構(gòu)如圖7（b）～圖7（e）所示，其中，圖7（b）為多材料直接打印系統(tǒng)； 圖7（c）～圖7（e）為多材料直接打印系統(tǒng)的打印實例[44]。Hong Chengyu等[45]利用光纖光柵傳感器研究了在增材制造過程中填充密度對內(nèi)部溫度的影響，并揭示了溫度變化對打印質(zhì)量的影響。

3 印刷傳感器技術(shù)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測上的應(yīng)用

近年來，隨著印刷電子技術(shù)的不斷發(fā)展，印刷傳感器在飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域得到了廣泛研究與應(yīng)用，目前的研究主要集中在應(yīng)力/應(yīng)變傳感器、損傷監(jiān)測傳感器及溫度傳感器三個方面。下面結(jié)合研究實例進(jìn)行具體介紹。

3.1 應(yīng)力/應(yīng)變傳感器

通過應(yīng)力/應(yīng)變傳感器能夠得到結(jié)構(gòu)的應(yīng)力/應(yīng)變數(shù)據(jù)，從而構(gòu)建、修正飛機(jī)結(jié)構(gòu)的載荷方程，提高載荷譜的監(jiān)測精度及預(yù)測精度[46]。應(yīng)力/應(yīng)變印刷傳感器主要根據(jù)電阻應(yīng)變效應(yīng)原理進(jìn)行設(shè)計，通常以導(dǎo)電性能較好的金屬導(dǎo)電墨水或碳系導(dǎo)電墨水作為原料，采用噴墨打印或絲網(wǎng)打印技術(shù)進(jìn)行制備，制備出的傳感器性能與傳統(tǒng)傳感器相當(dāng)，甚至具有更高的靈敏度。Y. J. Zhao等[47]采用噴墨打印技術(shù)開發(fā)了一款碳納米管應(yīng)變傳感器以監(jiān)測飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的碳纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料，該傳感器的應(yīng)變分辨率可達(dá)0.001%。Zhang Yuzheng等[48]用噴墨打印及絲網(wǎng)印刷兩種印刷技術(shù)，分別采用碳基導(dǎo)電墨水和銀納米粒子導(dǎo)電墨水制備了蛇形應(yīng)變傳感器，如圖8（a）、圖8（b）所示，靈敏度系數(shù)分別為8.8和3.7，高于傳統(tǒng)箔片式電阻應(yīng)變片，但傳感器的溫度及橫向靈敏度仍需改善。S. B. Subramanya等[49]將配置的碳系導(dǎo)電墨水通過絲網(wǎng)印刷在玻璃基底上形成應(yīng)變傳感器，實物如圖8（c）所示，該傳感器性能良好、制造成本低，靈敏度可通過調(diào)整墨水的組成而改進(jìn)，在航空領(lǐng)域有一定的潛在應(yīng)用前景。

3.2 損傷監(jiān)測傳感器

除了開發(fā)應(yīng)力/應(yīng)變傳感器之外，研究人員也會針對特定部位的損傷監(jiān)測開發(fā)印刷傳感器，圖9中給出了一些實例。由于損傷監(jiān)測傳感器大多基于電阻效應(yīng)或電渦流效應(yīng)工作，因此損傷印刷傳感器大多選取電場響應(yīng)能力高的金屬導(dǎo)電墨水進(jìn)行制備。針對飛機(jī)智能熱塑性飛機(jī)窗框的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，D. G. Bekas等[50]采用聚合物導(dǎo)電墨水及銀納米粒子導(dǎo)電墨水，通過噴墨打印方法在窗框上打印導(dǎo)電軌道，如圖9（b）所示。在受到?jīng)_擊時，通過電阻的變化情況可以檢測到窗框的膠結(jié)部位有無脫黏。孔邊裂紋是影響飛機(jī)結(jié)構(gòu)安全性能的一大因素[51]，針對飛機(jī)螺栓連接部位容易產(chǎn)生孔邊裂紋損傷的問題，張海濤等[52]采用柔性印刷技術(shù)設(shè)計制造了一種貼附式渦流傳感器，可定量監(jiān)測裂紋擴(kuò)展。Jiao Shengbo等[53]采用柔性印刷技術(shù)制備了一種嵌入式光柵渦流傳感器來監(jiān)測螺栓連接處的裂紋，測量精度為1mm，且在水溶液腐蝕環(huán)境下也能保持較高的損傷分辨率。A. Kurnyta等以銀納米粒子導(dǎo)電墨水為原料，利用直接書寫技術(shù)在標(biāo)準(zhǔn)CT片上制備了裂紋傳感器，隨著裂紋擴(kuò)展，輸出電壓會發(fā)生如圖9（c）所示的變化[55]，從而識別裂紋，傳感器實物圖如圖9（d）所示。該傳感器可以根據(jù)特定結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，更好地貼近“熱點(diǎn)”監(jiān)測區(qū)域，具有監(jiān)測小尺寸裂紋的能力[54]。

3.3 溫度傳感器

飛機(jī)在工作狀態(tài)下各個部件的溫度有很大差異，尤其是發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、溫度變化大，容易出現(xiàn)故障，有必要對關(guān)鍵部位進(jìn)行溫度監(jiān)測。目前用于溫度監(jiān)測的印刷傳感器以熱電阻傳感器為主，為了滿足較高的穩(wěn)定性及精度要求，通常選取鎳、鉑、銅等金屬導(dǎo)電墨水作為原料，并借助絲網(wǎng)印刷技術(shù)制備厚度更高的溫度傳感器以增加耐久性。 V. S. Turkani等[56]使用絲網(wǎng)印刷技術(shù)制備了面向航空航天溫度監(jiān)測的鎳基溫度傳感器，電阻溫度系數(shù)為3×10-3/℃。為了實現(xiàn)在高溫工作環(huán)境下進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，Zhang Tong等[57]利用絲網(wǎng)印刷制造了一種厚膜溫度傳感器，如圖10（a）所示，在50～900℃的溫度范圍內(nèi)能夠保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)。Lu Fengxiang等[58]結(jié)合微機(jī)械技術(shù)及絲網(wǎng)印刷在氧化鋁陶瓷襯底上制備了溫度傳感器，如圖10（b）所示。該傳感器在28～1100℃的溫度范圍內(nèi)平均靈敏度為95.63kHz/℃，將來有望應(yīng)用到航空領(lǐng)域中。除了高溫隱患，飛機(jī)在飛行過程中由降雨或水汽凝華而造成的表面結(jié)冰也是典型故障，會極大降低升力，因此需要開發(fā)能監(jiān)測結(jié)冰的溫度傳感器以保障飛行安全。M. Knoll等[59]采用絲網(wǎng)印刷轉(zhuǎn)移技術(shù)開發(fā)了一個結(jié)冰主動監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)的傳感器檢測模式及實物如圖10（c）、圖10（d）所示。該系統(tǒng)能通過傳感器監(jiān)測表面是否結(jié)冰，并在結(jié)冰形成之后激活周圍的加熱器以除冰，在機(jī)翼的防冰工作方面具有巨大的應(yīng)用潛力。

4 結(jié)束語

如今，用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的傳感器正在向集成化、輕量化、微型化及低成本化的方向發(fā)展，而印刷傳感器具備可集成一體化、制造成本低、可大規(guī)模生產(chǎn)、操作簡單、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，甚至可以實現(xiàn)在復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)上的原位制造，為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測傳感器的設(shè)計制造開辟了一條新路徑。在印刷傳感器的原料、制備技術(shù)方面的研究已經(jīng)走向成熟：研發(fā)了金屬、碳系、聚合物三類導(dǎo)電墨水，且已有投入實際應(yīng)用的商用導(dǎo)電墨水；噴墨打印、絲網(wǎng)印刷、3D打印等多種電子印刷技術(shù)已被應(yīng)用到印刷傳感器的制造中，試驗效果理想。

但截至目前，很多印刷傳感器還停留在概念設(shè)計階段，要想實現(xiàn)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測上的實際應(yīng)用，還有一些問題亟待解決。主要有：

（1）目前用于印刷技術(shù)的商用導(dǎo)電墨水類型比較單一，綜合性能難以滿足更高要求，因此需要開發(fā)高穩(wěn)定性、綠色環(huán)保的新型導(dǎo)電墨水以提高印刷傳感器的靈敏度。

（2）現(xiàn)有研究還不能實現(xiàn)印刷傳感器的大規(guī)模制造，如何兼顧傳感器精度和大規(guī)模生產(chǎn)是未來的重點(diǎn)研究方向，也是印刷傳感器走向?qū)嶋H應(yīng)用需要解決的關(guān)鍵問題。

（3）結(jié)構(gòu)輕量化及低功耗始終是飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡(luò)的終極追求目標(biāo)?，F(xiàn)有研究主要集中在改進(jìn)傳感器及其導(dǎo)線設(shè)計以達(dá)到減重目的，而有關(guān)改進(jìn)監(jiān)測系統(tǒng)的研究很少，可以通過開發(fā)多參數(shù)采集傳感器及監(jiān)控系統(tǒng)，以最少數(shù)量的傳感器及監(jiān)控系統(tǒng)滿足飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測需求，進(jìn)而實現(xiàn)低功耗和輕量化。

相信隨著印刷電子技術(shù)、設(shè)備及材料的不斷發(fā)展，印刷傳感器會在飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。

參考文獻(xiàn)

[1]孫俠生，肖迎春，白生寶，等. 民用飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)研究[J]. 航空科學(xué)技術(shù)， 2020，31（7）： 53-63+2. Sun Xiasheng， Xiao Yingchun， Bai Shengbao， et al. Research on structural health monitoring technology of civil aircraft composites[J]. Aeronautical Science & Technology， 2020， 31（7）： 53-63+2. （in Chinese）

[2]Yi T H， Huang H B， Li H N. Development of sensor validation methodologies for structural health monitoring： A comprehensive review[J]. Measurement， 2017， 109：200-214.

[3]Tuloup C， Harizi W， Aboura Z， et al. Structural health monitoring of polymer-matrix composite using embedded piezoelectric ceramic transducers during several four-points bending tests[J]. Smart Materials and Structures， 2020， 29（12）： 125011.

[4]Iadicicco A， Natale D， Di Palma P， et al. Strain monitoring of a composite drag strut in aircraft landing gear by fiber bragg grating sensors[J]. Sensors （Basel）， 2019， 19（10）： 2239.

[5]Gianni C， Balsi M， Esposito S， et al. Low-power global navigation satellite system-enabled wireless sensor network for acoustic emission localisation in aerospace components[J]. Structural Control and Health Monitoring， 2020， 27（6）： 2525.

[6]Khan Y， Thielens A， Muin S， et al. A new frontier of printed electronics： Flexible hybrid electronics [J]. Advanced Materi‐als， 2020， 32（15）： e1905279.

[7]Janczak D， Zych M， Raczynski T， et al. Stretchable and washable electroluminescent display screen-printed on textile[J]. Nanomaterials （Basel）， 2019， 9： 1276.

[8]Brunetti F， Operamolla A， Castro-Hermosa S， et al. Printed solar cells and energy storage devices on paper substrates[J]. Advanced Functional Materials， 2019， 29（21）： 1806798.

[9]Davoodi E， Montazerian H， Haghniaz R， et al. 3D-printed ultrarobust surface-doped porous silicone sensors for wearable biomonitoring[J]. ACS Nano， 2020， 14（2）： 1520-1532.

[10]Mazzaracchio V， Fiore L， Nappi S， et al. Medium-distance affordable， flexible and wireless epidermal sensor for pH monitoring in sweat[J]. Talanta， 2021， 222： 121502.

[11]Adolmaleki H， Agarwala S. PVDF-BaTiO3 nanocomposite inkjet inks with enhanced beta-phase crystallinity for printed electronics [J]. Polymers （Basel）， 2020， 12（10）： 2430.

[12]Schlisske S， Rosenauer C， R？dlmeier T， et al. Ink formulation for printed organic electronics： Investigating effects of aggregation on structure and rheology of functional inks based on conjugated polymers in mixed solvents[J]. Advanced Materials Technologies， 2020， 6（2）： 202000335.

[13]Chen L， Liu S， Chang F， et al. A gold nanoparticles-enhanced carbon nanotubes electrochemical chiral sensor [J]. Electroanal‐ysis， 2017， 29（4）： 955-959.

[14]Reddy T H， Peter M， Matej B， et al. Gold inks for inkjet printing on photo paper： Complementary characterisation[J]. Nanomaterials， 2021， 11（3）： 599.

[15]Godoy N V， García-Lojo D， Sigoli F A， et al. Ultrasensitive inkjet-printed based SERS sensor combining a highperformance gold nanosphere ink and hydrophobic paper[J]. Sensors and Actuators B： Chemical， 2020，15：128412.

[16]Bacakzo N P， Go L P， Querebillo C J， et al. Controlled microwave-hydrolyzed starch as a stabilizer for green formulation of aqueous gold nanoparticle ink for flexible printed electronics [J]. ACS Applied Nano Materials， 2018， 1（3）： 1247-1256.

[17]He Hui， Chen Ruoyang， Zhang Liyuan， et al. Fabrication of single-crystalline gold nanowires on cellulose nanofibers[J]. Journal of Colloid and Interface Science， 2020， 562： 333-341.

[18]Cao L， Bai X， Lin Z， et al. The preparation of Ag nanoparticle and ink used for inkjet printing of paper based conductive patterns[J]. Materials， 2017， 10（9）： 1004.

[19]Ke Shenghai， Xue Qingwen， Pang Chuanyuan， et al. Printing the ultra-long Ag nanowires inks onto the flexible textile substrate for stretchable electronics[J]. Nanomaterials， 2019， 9（5）：686.

[20]Kim J H， Lee S， Wajahat M， et al. 3D printing of highly conductive silver architectures enabled to sinter at low temperatures[J]. Nanoscale， 2019， 11（38）： 17682.

[21]Baytore C， Zoral E Y， Gocen C， et al. Coplanar flexible antenna design using conductive silver nano ink on paper substrate for warable antenna applications[C]// Proceedings of the 28th International Conference on Radioelektronika， 2018.

[22]Shao Weifang， Li Gang， Zhu Pengli， et al. Facile synthesis of low temperature sintering Ag nanopaticles for printed flexible electronics[J]. Journal of Materials Science： Materials in Electronics， 2017， 29（6）： 4432-4440.

[23]Deng Dunying， Chen Zhaoyong， Hu Yongle， et al. Simple and green fabrication process of nano silver conductive ink and the application in frequency selective surface [J]. Nanotechnology， 2020， 31（10）： 105705.

[24]Dybowska-Sarapuk L， Kielbasinski K， Arazna A， et al. Efficient inkjet printing of graphene-based elements： Influence of dispersing agent on ink viscosity[J]. Nanomaterials， 2018， 8： 602.

[25]Xu Lingyun， Wang Haopeng， Wu Yadong， et al. A one-step approach to green and scalable production of graphene inks for printed flexible film heaters[J]. Materials Chemistry Frontiers， 2021， 5（4）： 1895-1905.

[26]Saidina D S， Maroatti M， Zubir S A， et al. Performance of graphene hybrid-based ink for flexible electronics[J]. Journal of Materials Science： Materials in Electronics， 2019， 30（22）： 19906-19916.

[27]Molinari J， Florez L， Medrano A， et al. Electrochemical determination of beta-lactoglobulin employing a polystyrene bead-modified carbon nanotube ink[J]. Biosensors， 2018， 8（4）：109.

[28]Lu Shiheng， Joanne Z， Cardenas J A， et al. Uniform and stable aerosol jet printing of carbon nanotube thin-film transistors by ink temperature control[J]. ACS Applied Materials & Interfaces， 2020， 12（38）： 43083-43089.

[29]Chen Bolin， Jiang Yizhou， Tang Xiaohui， et al. Fully packaged carbon nanotube supercapacitors by direct ink writing on flexible substrates[J]. ACS Applied Materials & Interfaces， 2017， 9（34）： 28433-28440.

[30]Nayak L， Mohanty S， Nayak S K， et al. A review on inkjet printing of nanoparticle inks for flexible electronics[J]. Journal of Materials Chemistry C， 2019，29 （7）： 8771-8795.

[31]Yuk H， Lu B， Lin S， et al. 3D printing of conducting polymers[J]. Nature Communications， 2020， 11（1）： 1604.

[32]Chu Xiang， Chen Guorui， Xiao Xiao， et al. Air-stable conductive polymer ink for printed wearable microsupercapacitors[J]. Small， 2021， 17（25）： 2100956.

[33]Gouzman I， Atar N， Grossman E， et al. 3D printing of bismaleimides： From new ink formulation to printed thermosetting polymer objects[J]. Advanced Materials Technologies， 2019， 4（10）： 1900368.

[34]Martin G D， Hoath S D， Hutchings I M. Inkjet printing：The physics of manipulating liquid jets and drops[J]. Journal of Physics： Conference Series， 2008， 105： 12001.

[35]Rodriguez-Rivero M C， Philpott J M， Hann A B， et al. Deflecting the issue： The origin of nanoscale material build-up in continuous inkjet Printing[C]. NIP & Digital Fabrication Conference， 2020.

[36]Ischdonat N， Dreyer C， Graf D， et al. Influences of manufacturing sequences for the application of printed electronics on aircraft interior components[C]. 2018 13th International Congress Molded Interconnect Devices （MID）， 2018.

[37]Zhou Jian， Pei Zeguang. Experimental study of the piezoelectric drop-on-demand drop formation in a coaxial airflow[J]. Chemical Engineering and Processing-Process Intensification， 2020， 147： 107778.

[38]Kang S H， Kim S， Sohn D K， et al. Analysis of drop-ondemand piezo inkjet performance[J]. Physics of Fluids， 2020， 32（2）： 22007.

[39]Chu Zhenyu， Peng Jingmeng， Jin Wanqin. Advanced nanomaterial inks for screen-printed chemical sensors[J]. Sensors and Actuators B： Chemical， 2017， 243： 919-926.

[40]Zhou Yingying， Tong Hua， Liu Yujie， et al. Rheological effect on screen-printed morphology of thick film silver paste metallization[J]. Journal of Materials Science： Materials in Electronics， 2017， 28（7）： 5548-5553.

[41]Potts S J， Phillips C， Claypole T， et al. The effect of carbon ink rheology on ink separation mechanisms in screen-printing[J]. Coatings， 2020， 10： 1008.

[42]Zhen Wei. The technological process of silver electrode printing on touchscreens[Z]. IOP Publishing Ltd.， 2020.

[43]Xu Yuanyuan， Wu Xiaoyue， Guo Xiao， et al. The boom in 3Dprinted sensor technology[J]. Sensors， 2017， 17（5）： 1166.

[44]Emon M， Alkadi F， Philip D G， et al. Multi-material 3D printing of a soft pressure sensor[J]. Additive Manufacturing， 2019， 28： 629-638.

[45]Hong Chengyu， Bao Chengzhi， Fei Jianbo， et al. Application of FBG technology in additive manufacturing： Monitoring realtime internal temperature of products[J]. IEEE Sensors Journal， 2021， 21（5）： 6003-6011.

[46]張彥軍，王斌團(tuán)，寧宇，等. 飛機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)控技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 航空科學(xué)技術(shù)，2020，31（7）： 109-114. Zhang Yanjun， Wang Bintuan， NingYu， et al. Research progress on strain monitoring technology for aircraft structures [J]. Aeronautical Science & Technology， 2020， 31（7）： 109-114. （in Chinese）

[47]Zhao Y J， Beisteiner C， Gschossmann S， et al. An inkjetprinted carbon nanotube strain distribution sensor for quasi real-time strain monitoring of lightweight design materials[J]. Advances in Science and Technology， 2016， 101： 3-8.

[48]Zhang Yuzheng， Anderson N， Bland S， et al. All-printed strain sensors： Building blocks of the aircraft structural health monitoring system[J]. Sensors and Actuators A： Physical， 2017， 253： 165-172.

[49]Subramanya S B， Nagarjuna N， Prasad M G A， et al. Study and tailoring of screen-printed resistive films for disposable strain gauges[J]. Sensors and Actuators A： Physical， 2019， 295： 380-395.

[50]Bekas D G， Saenz-Castillo D， Khodaei Z S， et al. Smart bondline monitoring of an efficient industrial thermoplastic aircraft window Frame [J]. Key Engineering Materials， 2019， 827： 470-475.

[51]于翀，宋昊. 航空結(jié)構(gòu)件孔邊裂紋監(jiān)測技術(shù)研究綜述[J].航空科學(xué)技術(shù)，2021，32（12）： 1-17. Yu Chong， Song Hao. Summary of research on hole edge crack monitoring of aviation structures [J]. Aeronautical Science & Technology， 2021， 32（12）： 1-17. （in Chinese）

[52]張海濤，陳衛(wèi)，焦勝博，等. 貼附式渦流陣列傳感器在裂紋監(jiān)測上的應(yīng)用[J]. 火力與指揮控 制，2015，40（11）： 115-119. Zhang Haitao， Chen Wei， Jiao Shengbo， et al. Applied research of attached eddy current sensor on crack monitoring[J]. Fire Control & Command Control， 2015， 40（11）： 115-119. （in Chinese）

[53]Jiao Shengbo， Cheng Li， Li Xiaowei， et al. Monitoring fatigue cracks of a metal structure using an eddy current sensor[J]. EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking， 2016（1）： 188.

[54]Kurnyta A， Kowalczyk K， Baran M， et al. The use of silver conductive paint for crack propagation sensor customization[C].2021 IEEE 8th International Workshop on Metrology for AeroSpace （MetroAeroSpace）. IEEE， 2021.

[55]Kim K Y， Lee C Y. Real-time detection of damage evolution using electrohydrodynamic printing[J]. Engineering Failure Analysis， 2021， 119： 104974.

[56]Turkani V S， Maddipatla D， Narakathu B B， et al. A screenprinted nickel based resistance temperature detector （RTD） on thin ceramic substrate[C]. 20th Annual IEEE International Conference on Electro Information Technology. IEEE， 2020.

[57]Zhang Tong， Tan Qiulin， Lyu Wen， et al. Design and fabrication of a thick film heat flux sensor for ultra-high temperature environment[J]. IEEE Access， 2019， 7： 180771-180778.

[58]Lu Fengxiang， Tan Qiulin， Ji Yaohui， et al. A novel metamaterial inspired high-temperature microwave sensor in harsh environments[J]. Sensors， 2018， 18（9）： 2879.

[59]Knoll M， Offenzeller C， Jakoby B， et al. Embedded temperature and anti-icing monitoring systems directly printed on 3D shaped substrates [J]. Sensors Journal， 2020， 20（10）： 5314-5321.

Research Progress of Printed Sensors and Their Applications in Aircraft Structural Health Monitoring

Xiang Yuyan1， Liu Mabao1， Zhang Yanjun2， Peng Hang2， Ning Yu2

1. State Key Laboratory for Strength and Vibration of Mechanical Structures， Xi’an Jiaotong University， Xi’an 710049， China

2. AVIC The First Aircraft Institute， Xi’an 710089， China

Abstract： The printed sensor is a sensor that uses printed electronics （PE） technology to directly deposit patterns or circuits on a substrate with conductive ink. It has the advantages of low cost， easy operation， and large-scale production. Thus， it has great potential applications in the field of aircraft Structural Health Monitoring （SHM）. In this paper， according to the classification of conductive particles， three kinds of conductive ink including metal， carbon and polymer， are introduced. Then， inkjet printing， screen printing and additive manufacturing for manufacturing printed sensors are introduced in detail. Three typical applications of printed sensors in aircraft structural health monitoring are also reviewed， including stress/strain sensors， damage sensors and temperature sensors. Finally， the development of printing sensors is further prospected， which provides useful reference for the research and application of printing sensors in the field of aircraft structural health monitoring.

Key Words： printed sensor； aircraft structural health monitoring； printed electronics technology； conductive ink； inkjet printing； screen printing； additive manufacturing