英国剑桥和哈佛医学院《IJAMT》：Aerosol Jet 打印胶体铂纳米墨水的高温微传感器，实现火箭发动机结构的连续状态监测

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引言

在航天领域，火箭发动机的可靠性和安全性至关重要。传统监测手段依赖人工检查，难以实时捕捉高温环境下的结构形变。近期，一项名为气溶胶喷射打印（AJP：Aerosol Jet Printing）的技术登上《国际先进制造技术期刊》，科学家通过该技术直接在火箭发动机表面打印出可耐受1290°C高温的铂纳米墨水微传感器，实现了对结构应变和蠕变的实时监测。本文将分条解析其原理、应用与前景。

正文

工作原理

1. 什么是胶体铂纳米墨水？

胶体铂纳米墨水是一种具有导电性、粘附性和高温抵抗能力的纳米级墨水，含有金属纳米颗粒，能够在特定条件下形成坚固且导电的微结构。这种墨水的特点是流动性好、可调节性强，适用于高精度的打印工艺。

制作工艺：纯度99.95%的铂电极通过电火花放电，瞬间“炸”出纳米级铂颗粒（1-5微米）。
配比：铂颗粒+乙二醇溶剂+粘合剂（PVP），经60分钟超声震荡，形成均匀悬浮液。
性能：铂含量25%（重量比），高温烧结后形成连续导电网络。

2. 气溶胶喷射打印（AJP：Aerosol Jet Printing）技术优势

气溶胶喷射打印（AJP）技术通过高速气流将纳米墨水雾化，形成微小且均匀的喷墨滴，然后将其精确地喷射在特定基材上。

这种工艺的优势在于：

高分辨率：线宽可达数十微米甚至更细；
形状可控：可以制造复杂的微型结构；
低温加工：对基材的热敏感性较低；
快速成型：适合批量生产和快速原型设计。

3. 工艺流程

气溶胶喷射打印准备阶段：调配含纳米银或其他金属纳米颗粒的墨水，确保其稳定性和流动性；

喷射打印过程：利用气溶胶喷射打印的喷嘴，将微小墨滴精准到预定位置，通过调整焦距、喷射距离和压力，实现所需线宽和厚度；

后续处理：如通过高温退火（如150°C加热2小时，再升至1500°C烧结）使纳米颗粒融合，形成导电且坚固的微结构；同时通过调节参数，控制层厚、导电性和结构形貌。

4. 气溶胶喷射打印(AJP)关键技术参数的调控

焦距比（Focusing Ratio）：影响喷射线宽和精度，焦距越大，线条越细，但稳定性可能下降。

喷嘴距离：影响喷射的拟合度与结构质量，最佳距离在5mm以内，过远则可能分散或无法控制形状。

层数与厚度：通过多层堆叠调节层厚，10层可达到5.3μm厚度，且层数足够后，导电电阻降低至0.01Ω，满足微应变监测需求。

技术优势

1. 高精度与高分辨率

传统制造传感器需依赖复杂的微机械工艺，而气溶胶喷射打印（AJP）可在微米甚至亚微米级别实现复杂结构，极大提升传感器的空间分辨率。

2. 灵活性与定制化

根据不同的任务需求，可以快速调整喷射参数，从而定制各种形状和性能指标的传感器，无需繁琐的模具制作。

3. 温度和化学稳定性强

喷射后经过高温烧结，得以形成具有良好导电性和高耐温性能的结构，适应火箭、发动机等高温环境。

4. 快速制造和成本控制

喷射工艺实现快速原型，缩短生产周期，降低成本，特别适合小批量、多样化的航天应用。

5. 多功能集成

除了微应变传感器，还可以在同一平台上制造温度、压力、腐蚀检测等多功能传感器，实现智能化监测。

应用范围

1、航天飞行器监测

利用气溶胶喷射打印（AJP）制造的微型传感器，可贴附在火箭喷嘴、发动机芯片等关键部位，实时监测微变形、微应变，提前预警潜在的结构故障。

2、高温环境中的实时监控

在极端高温下，传统传感器易损坏。气溶胶喷射打印（AJP）的铂墨水传感器经过高温烧结后，仍能稳定工作，保障飞行安全。

3、智能元件制造

未来航天系统需要大量微电子元件，气溶胶喷射打印（AJP）的铂墨水技术可在微纳结构制造方面发挥巨大作用，为智能系统提供基础支撑。

4、未来空间站和月球基地

气溶胶喷射打印（AJP）技术可灵活制造微型传感器阵列，用于环境监测、设备状态检测，支持未来深空探索任务。

图文导读

图1.本研究中使用的气溶胶喷射打印（AJP）工艺示意图用于制造微传感器

图2.气溶胶喷射打印（AJP）传感器沉积在A原型JX4 Inconel 718可重复使用的月球着陆自燃发动机上。B四个打印传感器图案的表面图像，用于检测不同位移轴上的应力；C气溶胶喷射打印微应变传感器的扫描电子显微照片，直接沉积在喷嘴表面

图3.气溶胶喷射打印（AJP）技术在718高温合金表面打印了微应变传感器的多层接触面

图4. （A）15 m后退火材料的扫描电子显微图和（B）120 min后退火材料的扫描电子显微图

图5.线宽、线高与鞘气聚焦的关系

图6.当鞘套与携带气体的聚焦比从1增加到6时，打印出的不同线的传感器结构进行三维重建

图7.随着每一层的沉积，气溶胶喷射打印（AJP）层的厚度

图8.(A)用于监测x轴蠕变和y轴蠕变的两个蠕变传感器的沉积；(B)在高倍放大下显示传感器表面细节的扫描电子显微照片

第7页-10 图9.蠕变传感器结构的三维重建显示了传感器产生的微表面粗糙度。通过传感器的横截面的表面粗糙度剖面

结语

气溶胶喷射打印（AJP）的铂墨水技术作为航空航天工业的重要创新，为复杂环境下的微型传感方案提供了全新的思路。它不仅极大提高了传感器的精度与适应性，更开启了空间智能监控的新纪元。随着技术持续成熟与产业链完善，未来可期待这项技术在火箭、卫星、空间站乃至更广泛的高端制造领域扮演更加重要的角色。我们正站在航天智能化的风口，迎来一场前所未有的技术革新浪潮。让我们共同期待气溶胶喷射打印（AJP）铂墨水带来更多奇迹！

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