基于coffee-ring效应的银纳米粒子可控组装及其应变传感性能研究

Strain sensors are widely used in the bridge construction, petrochemical engineering and aerospace system fields, etc. In view of the problems encountered in the metal and semiconductor strain sensors where the sensitive coefficient is low and the strain elongation is small, this project proposes a novel research idea that the highly ordered silver nanoparticles wires (AgNWs) arrays are assembled on the flexible substrates by utilizing coffee-ring effect in the ink-jet printing process, and strain sensors are fabricated based on AgNWs array for sensitive medium. Firstly, the coffee-ring effect is regulated by the solvent surface tension and substrate wettability, and make the printed droplets possess the stable three-phase contact line and marangoni effect toward the edge of the droplets, which enable silver nanoparticles to automatically assemble to form highly regular AgNWs arrays. Secondly, the high sensitivity coefficient, large strain elongation and highly stable strain sensors will be obtained by controlling AgNWs array morphology, drawing speed and strain elongation.Based on the above research results, the strain sensing mechanism of such sensors are analyzed and elucidated, and the structure-activity relationship between the AgNWs structure and strain sensing properties will be established. This study will lay a solid foundation for ink-jet printing technology to be widely applied in the controlable nanoparticles assembly and functional sensors construction fields.

应变传感器广泛应用于桥梁建筑、石油化工和航空航天等工程技术领域，鉴于金属和半导体应变传感器存在灵敏系数低、应变伸长率小等诸多问题，本课题提出了利用喷墨打印过程中的coffee-ring效应在柔性基底上组装有序的银纳米粒子线（AgNWs）阵列，制备基于AgNWs阵列为敏感介质的高效应变传感器的研究思路。设计通过调节溶剂表面张力和基底浸润性等方法调控coffee-ring效应的大小，使打印液滴具有稳定的三相接触线和向着液滴边缘的marangoni效应，诱导纳米粒子形成形貌可控的AgNWs阵列；通过控制AgNWs阵列形貌、基底拉伸速度和应变伸长率，建立AgNWs阵列结构与应变传感性能之间的构效关系，获得灵敏系数高和应变伸长率大的高效应变传感器；在此基础上，分析和阐明该类传感器的应变传感机制，为喷墨打印技术在纳米粒子组装和传感器构筑领域获得广泛应用奠定坚实的基础。

随着工程技术的发展，应变传感器作为一种形变的精密测量技术，已经广泛应用于桥梁建筑、石油化工和航空航天等工程技术领域中大型结构的健康检测，以及作为敏感元件用于智能响应材料的构筑。目前普遍应用的金属和半导体应变传感器存在灵敏系数低、应变伸长率小等诸多问题，难以满足高精度和较大应变检测的要求。因此研制灵敏、高效和制备工艺简单的应变传感器成为目前亟待解决的问题，对于提高我国工程技术领域的过程检测与风险防范能力具有极其重要的现实意义。.本课在深入研究咖啡环效应的基础上，结合喷墨打印技术在物质传递和纳米粒子组装方面的独特优势，利用喷墨打印过程中的咖啡环效应在PET基底上组装有序的银纳米粒子线（AgNWs）阵列，制备基于AgNWs阵列为敏感介质的高灵敏应变传感器。主要包括以下研究内容：.（1）采用多元醇法合成了粒径可控的AgNPs，研究了多种合成参数对AgNPs粒径大小和单分散性的影响，包括反应温度、反应配比、反应时间、包覆剂的种类和分子量的大小，确定影响AgNPs粒径大小和单分散性的关键因素；在此基础上，通过调控溶剂的配比以及AgNPs的结构，制备了稳定的AgNPs导电墨水。.（2）研究了基底浸润性、溶剂表面张力和AgNPs大小等因素对于咖啡环效应大小和三相接触线稳定性的影响，阐明AgNPs在不同浸润性基底上的迁移机理，提出了相应的理论分析模型，确定基底浸润性、溶剂表面张力和AgNPs大小对于咖啡环效应具有关键性影响。.（3）在咖啡环效应的诱导下，AgNPs在PET基底上组装形成形貌可控的AgNWs阵列，构筑了基于AgNWs阵列为敏感介质的应变传感器，其灵敏系数介于50-60，检测极限可达0.061%，显示出极高的灵敏性和稳定性；通过控制AgNWs阵列结构、应变伸长率和应变频率等因素，建立AgNWs阵列结构与应变传感性能之间的构效关系，分析和阐明该类传感器的应变传感机制。.本课题开展的相关研究对于理解喷墨打印过程中液滴在基底上的铺展、浸润及纳米粒子的有序组装非常重要，为喷墨打印技术在纳米粒子组装和传感器构筑领域获得广泛应用具有重要的借鉴意义。