浙大研究人员利用激光技术，将传感器系统植入工程热塑性塑料

工程热塑性塑料，如聚苯硫醚（PPS）、聚醚醚酮、聚砜及其增强复合材料，被认为是应用于航空航天、汽车、生物医学和电子领域有前景的构建块。它们具有优异的机械性能、轻质特性和耐恶劣环境。

为了提高这种复合材料的安全性并延长其使用寿命，将其与传感器集成以进行结构健康监测和跟踪周围环境的大量信息，至关重要。

通常为了实现这种集成，可以采用两种技术策略，包括附着基于薄膜的柔性传感器片，以及直接原位制造有源单元。特别是，原位制造路线允许形成与目标无缝一致的传感层。这可能会提高捕捉各种内部或外部刺激的灵敏度和精度，如微裂纹、温度变化或压力/应变变化。此外，由于不含薄聚合物，这种原位集成更适合高温。

用于共形电子学的原位混合激光诱导集成传感器系统（LISS）的概念图。（a）飞机上应用的工程热塑性塑料表面LISS示意图。LISS由传感器、导电互连和信号处理模块组成。（b）通过连续波绿光激光器制造的LISS的LIP-Cu互连示意图。（c）红外激光制造的LISS LIC传感器示意图

为了进行这种原位制造，典型的方法依赖于通过各种印刷技术对导电或功能材料进行图案化，如气溶胶喷射、电流体动力学喷射和丝网印刷。昂贵的银（Ag）基油墨通常被用作主要的导电材料，因为它们在环境气氛中易于加工，并且适合热退火以形成导电迹线。作为替代方案，铜（Cu）基油墨具有更高的导电性，更具成本效益。然而，由于Cux O相的热力学稳定性，铜基纳米材料（如纳米粒子、纳米线）在加工过程中和加工后通常容易氧化。

在惰性气体中的热退火或使用瞬时光子能量（如激光、闪光灯）的处理可以解决铜氧化的关键问题。然而，退火过程与使用铜基纳米材料的经济价值不相容。更重要的是，形成的铜仍然倾向于氧化，尤其是在较高的温度下。因此，以经济和可扩展的方式呈现惰性纳米铜具有实际意义，这可能有助于通过将传感器、互连、信号处理组件与工程热塑性塑料结合来实现一体化集成。

近日，来自浙江大学的徐凯臣教授和他的同事开发了一种新方法，利用激光技术将传感器系统直接集成到工程热塑性塑料中。这项关键性的技术突破，为提高航空航天、汽车、医疗保健和运输等行业关键设备的安全性和延长使用寿命提供了潜力。

该研究论文发表在《国际极限制造杂志》上，新方法是一种混合激光直写技术，能够在单个集成系统中创建功能性的铜互连和碳基传感器。它允许长时间实时监测温度，确保最佳性能和可靠性。据报道，浙江大学的这个研究小组是一个跨学科研究小组，致力于在常规或极端环境中为可穿戴/植入式监测，提供柔性和保形电子产品的先进制造。

“我们的研究主要包括创新制造技术、多功能器件以及系统级应用的开发。基于激光和物质相互作用的原理，这项研究主要是专注于使用混合（超快）激光加工平台制造多功能器件，这些平台具有多任务处理功能。”徐教授表示。

传感器与工程热塑性塑料的集成，允许健康跟踪和感知周围刺激。作为传感器系统的重要组成部分之一，铜具有高导电性和成本效益，但在加工过程中和加工后容易氧化。徐教授的团队通过采用“一步光热处理”以克服障碍，该处理产生了高度耐用的铜互连，能够在高达170°C的温度下抵抗长期氧化失效。

为了实现这一目标，他们的方法涉及两个关键步骤：通过使用连续波激光对CuO进行光热还原和钝化来创建功能性铜互连，以及使用红外激光从热塑性基材形成激光诱导碳传感器。该工艺允许同时还原、烧结和钝化铜，以提高其在高温下的抗氧化性。然后，研究团队测试了集成传感器系统在各种环境条件下实时温度监测的耐用性和性能。

徐教授的新方法，在航空航天、汽车、高速列车和医疗器械等各个领域具有巨大的应用潜力。该系统为长期实时监测温度和其他环境参数，提供了一种轻便耐用的解决方案。随着团队继续完善这项技术，他们正在探索扩展系统功能的方法，以纳入压力、应变和湿度等参数的额外传感单元。他们的最终目标是开发先进的制造技术，在曲面上实现高质量的共形电子产品，超越目前平面表面的局限性。