一种扑翼飞行器翅翼及其制备方法与流程

1.本发明涉及应力检测技术领域，具体涉及一种扑翼飞行器翅翼及其制备方法。


背景技术：

2.扑翼飞行器模仿鸟类或昆虫的飞行方式，具有质量轻、体积小、机动灵活、不产生噪音、能量利率高等特点。在gf领域，能够在超低空雷达盲区以及狭小地形执行侦查、监视任务，在未来信息化战场应用前景广泛；在商业应用方面，可对标无人机市场，涵盖航拍、测绘、农业、教育、娱乐等众多领域。
3.相比于固定翼飞行器与旋翼飞行器，仿生扑翼飞行器最大的技术特点在于像鸟类或者昆虫一样适应不同的环境，飞行灵活，能量利用率高。对于鸟类或昆虫，在飞行过程中不仅通过视觉获取环境的信息，更重要的是其翅翼具有触觉，能够实时感知气流的大小与方向，并对扑翼频率、扑翼幅度等飞行姿态进行调节，从而更好的适应不同气流环境的变化，并且利用气流减小飞行过程中的能量损耗。然而，相比于鸟类或昆虫卓越的飞行技巧，现有扑翼飞行器的飞行过程主要通过地面控制台实现，扑翼飞行器的翅翼本身缺少气流感知能力，很难实时应对复杂气流环境或者借用气流作为助力。
4.对于扑翼飞行器来说，可以通过在翅翼上增加传感器的方式来获得气流、应变等感知能力。然而，由于扑翼飞行器的升力本身较小，增加额外的传感器会增加重量，并且如何将传感器与翅翼进行结合，并且不影响翅翼本身的形变也是需要解决的问题，因此如何在翅翼上不增加传感器的情况下，获得气流、应变等感知能力成为了本领域技术人员亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术存在的不足之处而提供一种扑翼飞行器翅翼及其制备方法，所述的扑翼飞行器翅翼在飞行过程中，能够感受到气流、形变的变化，所述的碳纳米管层随着薄膜的拉伸(气流、形变的变化导致)，电阻会急剧增加，从而达到检测的效果。
6.为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
7.一种扑翼飞行器翅翼，包括基体薄膜，所述基体薄膜上设有至少一个用于检测应力变化的检测回路，每个检测回路均包括叠层设置的银纳米线层、碳纳米管层。
8.本发明通过在基体薄膜上设置至少一个检测回路，且每个检测回路中均包括叠层设置的银纳米线层、碳纳米管层，所述的银纳米线层起到导电线路的作用，所述的扑翼飞行器翅翼在飞行过程中，能够感受到气流、形变的变化，所述的碳纳米管层随着薄膜的拉伸(气流、形变的变化导致)，电阻会急剧增加，从而达到检测的效果。
9.本发明通过无需额外增加传感器，通过叠层设置的银纳米线层、碳纳米管层，即可实现翅翼应力、应变的原位检测，相比于后贴附应变片等方式，测试数据更加直接，且基本不会增加扑翼飞行器翅翼的重量，即不会因为增加传感器而改变扑翼飞行器翅翼本身的变
形情况，因此，检测结果更加准确，更加灵敏。
10.另外需要说明的是，所述的检测回路公用一个电源输出端，每个检测回路均有一个电源输入端，电源输出端、银纳米线层、碳纳米管层、电源输入端构成完整的检测回路。
11.作为本发明的优选实施方案，所述基体薄膜为聚氨酯薄膜、sebs薄膜、热塑性弹性体薄膜中的一种。
12.作为本发明的优选实施方案，所述基体薄膜的形状为仿蝴蝶、蜻蜓、鸽子、海鸥、老鹰、雨燕、蝙蝠的翼形，且所述基体薄膜的厚度为50～400um，所述基体薄膜在长度方向的尺寸为50～1000mm，在宽度方向的尺寸为30～6000mm。
13.需要说明的是，本发明所述的基体薄膜可以根据实际的需求裁剪成具体的形状，发明人在大量的研究中发现，所述的基体薄膜的厚度会显著影响到检测的结果，若厚度过厚，导致质量过重，无法起飞，若厚度过薄，力学强度不够，因此，需要控制厚度在上述范围内。
14.作为本发明的优选实施方案，所述碳纳米管层通过涂覆2～20mg/ml的碳纳米管分散液形成，所述碳纳米管的直径为2～50nm，长度为0.5～50um，面电阻为100～1000ω/m2。
15.本发明的发明人发现，当碳纳米管的直径、长度以及面电阻在上述范围内时，所述碳纳米管在翅翼发生形变时电阻会急剧增加，进而实现检测的作用；在拉伸的过程中其电阻急剧增大，在50％拉伸率时，电阻增加100倍以上，所述碳纳米管在纵向空间中，处于银纳米线的下方，与银纳米线接触，保证良好的欧姆接触，从而检测结果更加准确，更加灵敏；而若直径、长度以及面电阻不在上述范围内时，在拉伸的过程中其电阻变化不大，从而降低检测结果和灵敏度。
16.作为本发明的优选实施方案，所述碳纳米管的直径为10nm，长度为10um，面电阻为200ω/m2。特别是碳纳米管的直径、长度以及面电阻在上述范围内时，检测结果更加准确，更加灵敏。
17.作为本发明的优选实施方案，所述银纳米线层通过原子沉积1～10mg/ml的银纳米线分散液形成，所述银纳米线的直径为40～400nm，长度为1～50um，面电阻为0.1～20ω/m2。所述的银纳米线在翅翼中主要起到导电线路的作用，具有低的表面电阻，在拉伸的过程中其电阻可以保证很小的变化率，在小于50％拉伸率时，电阻变化为3倍以内，所述银纳米线在纵向空间中，处于碳纳米管的下方，与碳纳米管接触，保证良好的欧姆接触，从而检测结果更加准确，更加灵敏。
18.作为本发明的优选实施方案，所述银纳米线的直径为100nm，长度为20um，面电阻为1ω/m2。
19.本发明还提供了一种上述所述的扑翼飞行器翅翼的制备方法，包括以下步骤：
20.(1)提供一基底，将遮膜板盖在基地上，将碳纳米管分散液喷涂与盖有遮膜板的基底上形成碳纳米管层；
21.(2)将遮膜板盖于碳纳米管层上，通过沉积的方式在碳纳米管层上沉积银纳米线分散液形成银纳米线层；
22.(3)在银纳米线层、碳纳米管层上涂覆弹性体溶液，干燥，形成基体薄膜；
23.(4)将基底剥离，即得扑翼飞行器翅翼。
24.作为本发明的优选实施方案，所述碳纳米管分散液包括2～20mg/ml的碳纳米管、2
～20mg/ml的分散剂、余量溶剂；所述分散剂为十二烷基苯磺酸钠或tpu；所述溶剂为dmf或水。
25.作为本发明的优选实施方案，所述银纳米线包括1～5mg/ml的银纳米线、3～15mg/ml的分散剂、余量溶剂；所述分散剂为pvp；所述溶剂为乙醇、异丙醇或水。
26.本发明的有益效果在于：(1)本发明所述的扑翼飞行器翅翼在飞行过程中，能够感受到气流、形变的变化，所述的碳纳米管层随着薄膜的拉伸(气流、形变的变化导致)，电阻会急剧增加，从而达到检测的效果；(2)本发明通过无需额外增加传感器，通过叠层设置的银纳米线层、碳纳米管层，即可实现翅翼应力、应变的原位检测，相比于后贴附应变片等方式，测试数据更加直接，且基本不会增加扑翼飞行器翅翼的重量，即不会因为增加传感器而改变扑翼飞行器翅翼本身的变形情况，因此，检测结果更加准确，更加灵敏；(3)所述碳纳米管在翅翼发生形变时电阻会急剧增加，进而实现检测的作用；在拉伸的过程中其电阻急剧增大，在50％拉伸率时，电阻增加100倍以上，所述碳纳米管在纵向空间中，处于银纳米线的下方，与银纳米线接触，保证良好的欧姆接触，从而检测结果更加准确，更加灵敏；而若直径、长度以及面电阻不在上述范围内时，在拉伸的过程中其电阻变化不大，从而降低检测结果和灵敏度。
附图说明
27.图1为本发明所述的扑翼飞行器翅翼的结构示意图；
28.图2为本发明所述的扑翼飞行器翅翼的纵向方向上的结构示意图；
29.图3为本发明所述的扑翼飞行器翅翼的制备方法的流程图；
30.图4为实施例1所述的扑翼飞行器翅翼以10hz拍动翅翼时，应变传感器a点的电导信号随时间变化的曲线图；
31.图5为实施例1所述的扑翼飞行器翅翼以5hz拍动翅翼时，应变传感器a点的电导信号随时间变化的曲线图；
32.图6为实施例1所述的扑翼飞行器翅翼以10hz拍动翅翼时，应变传感器b点的电导信号随时间变化的曲线图；
33.图7为实施例1所述的扑翼飞行器翅翼以5hz拍动翅翼时，应变传感器b点的电导信号随时间变化的曲线图；
34.图中标记：1、碳纳米管层；2、银纳米线层；3、基体薄膜；4、电源输出端；5、电源输入端。
具体实施方式
35.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
36.实施例1
37.请参阅图1、图2，本发明提供了一种扑翼飞行器翅翼，包括基体薄膜3，所述基体薄膜3上设有至少一个用于检测应力变化的检测回路，电源输出端4、银纳米线层2、碳纳米管
层1、电源输入端5构成完整的检测回路。
38.所述基体薄膜为聚氨酯薄膜。
39.所述基体薄膜的形状为仿蝴蝶翼形，且所述基体薄膜的厚度为100um，所述基体薄膜在长度方向的尺寸为300mm，在宽度方向的尺寸为150mm。
40.请参阅图3，所述的扑翼飞行器翅翼的制备方法，包括以下步骤：
41.(1)提供一玻璃基底，将遮膜板盖在基地上，将碳纳米管分散液喷涂与盖有遮膜板的基底上形成碳纳米管层；
42.(2)将遮膜板盖于碳纳米管层上，通过沉积的方式在碳纳米管层上沉积银纳米线分散液形成银纳米线层；
43.(3)在银纳米线层、碳纳米管层上涂覆聚氨酯，干燥，形成基体薄膜；
44.(4)将基底剥离，即得扑翼飞行器翅翼。
45.所述碳纳米管分散液包括5mg/ml的碳纳米管、5mg/ml的十二烷基苯磺酸钠、余量水(补至1l)；所述碳纳米管的直径为10nm，长度为10um，面电阻为200ω/m2。
46.所述银纳米线包括2mg/ml的银纳米线、6mg/ml的pvp、余量水(补至1l)；所述银纳米线的直径为100nm，长度为20um，面电阻为1ω/m2。
47.实施例2
48.请参阅图1、图2，本发明提供了一种扑翼飞行器翅翼，包括基体薄膜3，所述基体薄膜3上设有至少一个用于检测应力变化的检测回路，电源输出端4、银纳米线层2、碳纳米管层1、电源输入端5构成完整的检测回路。
49.所述基体薄膜为sebs薄膜。
50.所述基体薄膜的形状为仿蝴蝶翼形，且所述基体薄膜的厚度为50um，所述基体薄膜在长度方向的尺寸为50mm，在宽度方向的尺寸为30mm。
51.请参阅图3，所述的扑翼飞行器翅翼的制备方法，包括以下步骤：
52.(1)提供一玻璃基底，将遮膜板盖在基地上，将碳纳米管分散液喷涂与盖有遮膜板的基底上形成碳纳米管层；
53.(2)将遮膜板盖于碳纳米管层上，通过沉积的方式在碳纳米管层上沉积银纳米线分散液形成银纳米线层；
54.(3)在银纳米线层、碳纳米管层上涂覆sebs，干燥，形成基体薄膜；
55.(4)将基底剥离，即得扑翼飞行器翅翼。
56.所述碳纳米管分散液包括2mg/ml的碳纳米管、2mg/ml的十二烷基苯磺酸钠、余量水(补至1l)；所述碳纳米管的直径为2nm，长度为0.5um，面电阻为100ω/m2。
57.所述银纳米线包括1mg/ml的银纳米线、3mg/ml的pvp、余量水(补至1l)；所述银纳米线的直径为40nm，长度为1um，面电阻为0.1ω/m2。
58.实施例3
59.请参阅图1、图2，本发明提供了一种扑翼飞行器翅翼，包括基体薄膜3，所述基体薄膜3上设有至少一个用于检测应力变化的检测回路，电源输出端4、银纳米线层2、碳纳米管层1、电源输入端5构成完整的检测回路。
60.所述基体薄膜为sebs薄膜。
61.所述基体薄膜的形状为仿蝴蝶翼形，且所述基体薄膜的厚度为400um，所述基体薄
膜在长度方向的尺寸为1000mm，在宽度方向的尺寸为2000mm。
62.请参阅图3，所述的扑翼飞行器翅翼的制备方法，包括以下步骤：
63.(1)提供一玻璃基底，将遮膜板盖在基地上，将碳纳米管分散液喷涂与盖有遮膜板的基底上形成碳纳米管层；
64.(2)将遮膜板盖于碳纳米管层上，通过沉积的方式在碳纳米管层上沉积银纳米线分散液形成银纳米线层；
65.(3)在银纳米线层、碳纳米管层上涂覆sebs，干燥，形成基体薄膜；
66.(4)将基底剥离，即得扑翼飞行器翅翼。
67.所述碳纳米管分散液包括20mg/ml的碳纳米管、20mg/ml的十二烷基苯磺酸钠、余量水(补至1l)；所述碳纳米管的直径为50nm，长度为50um，面电阻为500ω/m2。
68.所述银纳米线包括10mg/ml的银纳米线、30mg/ml的pvp、余量水(补至1l)；所述银纳米线的直径为400nm，长度为10um，面电阻为5ω/m2。
69.实施例4
70.请参阅图1、图2，本发明提供了一种扑翼飞行器翅翼，包括基体薄膜3，所述基体薄膜3上设有至少一个用于检测应力变化的检测回路，电源输出端4、银纳米线层2、碳纳米管层1、电源输入端5构成完整的检测回路。
71.所述基体薄膜为聚氨酯薄膜。
72.所述基体薄膜的形状为仿蝴蝶翼形，且所述基体薄膜的厚度为200um，所述基体薄膜在长度方向的尺寸为400mm，在宽度方向的尺寸为200mm。
73.请参阅图3，所述的扑翼飞行器翅翼的制备方法，包括以下步骤：
74.(1)提供一玻璃基底，将遮膜板盖在基地上，将碳纳米管分散液喷涂与盖有遮膜板的基底上形成碳纳米管层；
75.(2)将遮膜板盖于碳纳米管层上，通过沉积的方式在碳纳米管层上沉积银纳米线分散液形成银纳米线层；
76.(3)在银纳米线层、碳纳米管层上涂覆聚氨酯，干燥，形成基体薄膜；
77.(4)将基底剥离，即得扑翼飞行器翅翼。
78.所述碳纳米管分散液包括10mg/ml的碳纳米管、10mg/ml的十二烷基苯磺酸钠、余量水(补至1l)；所述碳纳米管的直径为20nm，长度为20um，面电阻为300ω/m2。
79.所述银纳米线包括4mg/ml的银纳米线、10mg/ml的pvp、余量水(补至1l)；所述银纳米线的直径为200nm，长度为30um，面电阻为2ω/m2。
80.测试例
81.将实施例1所述的飞行器以10hz拍动翅翼时，应变传感器(图1中a点)的电导信号随时间变化的曲线如图4。
82.将实施例1所述的飞行器以5hz拍动翅翼时，应变传感器(图1中a点)的电导信号随时间变化的曲线如图5。
83.将实施例1所述的飞行器以10hz拍动翅翼时，应变传感器(图1中b点)的电导信号随时间变化的曲线如图6。
84.将实施例1所述的飞行器以5hz拍动翅翼时，应变传感器(图1中b点)的电导信号随时间变化的曲线如图7。
85.最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

技术特征：
1.一种扑翼飞行器翅翼，其特征在于，包括基体薄膜，所述基体薄膜上设有至少一个用于检测应力变化的检测回路，每个检测回路均包括叠层设置的银纳米线层、碳纳米管层。2.根据权利要求1所述的扑翼飞行器翅翼，其特征在于，所述基体薄膜为聚氨酯薄膜、sebs薄膜、热塑性弹性体薄膜中的一种。3.根据权利要求1所述的扑翼飞行器翅翼，其特征在于，所述基体薄膜的形状为仿蝴蝶、蜻蜓、鸽子、海鸥、老鹰、雨燕、蝙蝠的翼形，且所述基体薄膜的厚度为50～400um，所述基体薄膜在长度方向的尺寸为50～1000mm，在宽度方向的尺寸为30～6000mm。4.根据权利要求1所述的扑翼飞行器翅翼，其特征在于，所述碳纳米管层通过涂覆2～20mg/ml的碳纳米管分散液形成，所述碳纳米管的直径为2～50nm，长度为0.5～50um，面电阻为100～1000ω/m2。5.根据权利要求4所述的扑翼飞行器翅翼，其特征在于，所述碳纳米管的直径为10nm，长度为10um，面电阻为200ω/m2。6.根据权利要求1所述的扑翼飞行器翅翼，其特征在于，所述银纳米线层通过原子沉积1～10mg/ml的银纳米线分散液形成，所述银纳米线的直径为40～400nm，长度为1～50um，面电阻为0.1～20ω/m2。7.根据权利要求1所述的扑翼飞行器翅翼，其特征在于，所述银纳米线的直径为100nm，长度为20um，面电阻为1ω/m2。8.权利要求1～7任一所述的扑翼飞行器翅翼的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)提供一基底，将遮膜板盖在基地上，将碳纳米管分散液喷涂与盖有遮膜板的基底上形成碳纳米管层；(2)将遮膜板盖于碳纳米管层上，通过沉积的方式在碳纳米管层上沉积银纳米线分散液形成银纳米线层；(3)在银纳米线层、碳纳米管层上涂覆弹性体溶液，干燥，形成基体薄膜；(4)将基底剥离，即得扑翼飞行器翅翼。9.根据权利要求8所述的扑翼飞行器翅翼的制备方法，其特征在于，所述碳纳米管分散液包括2～20mg/ml的碳纳米管、2～20mg/ml的分散剂、余量溶剂；所述分散剂为十二烷基苯磺酸钠或tpu；所述溶剂为dmf或水。10.根据权利要求8所述的扑翼飞行器翅翼的制备方法，其特征在于，所述银纳米线包括1～5mg/ml的银纳米线、3～15mg/ml的分散剂、余量溶剂；所述分散剂为pvp；所述溶剂为乙醇、异丙醇或水。

技术总结
本发明公开了一种扑翼飞行器翅翼及其制备方法，属于应力检测技术领域，所述的扑翼飞行器翅翼包括基体薄膜，所述基体薄膜上设有至少一个用于检测应力变化的检测回路，每个检测回路均包括叠层设置的银纳米线层、碳纳米管层。所述的扑翼飞行器翅翼在飞行过程中，能够感受到气流、形变的变化，碳纳米管层随着薄膜的拉伸，电阻会急剧增加，从而达到检测的效果；通过无需额外增加传感器，通过叠层设置的银纳米线层、碳纳米管层，即可实现翅翼应力、应变的原位检测，测试数据更加直接，且基本不会增加扑翼飞行器翅翼的重量，即不会因为增加传感器而改变扑翼飞行器翅翼本身的变形情况，因此，检测结果更加准确，更加灵敏。更加灵敏。更加灵敏。


技术研发人员：张通 杨小牛
受保护的技术使用者：广东粤港澳大湾区黄埔材料研究院
技术研发日：2022.09.09
技术公布日：2023/6/26