Электрофизические характеристики сенсоров температуры и влажности на основе углеродсодержащего PLA-пластика

Исследованы электрофизические характеристики 3D-печатных сенсоров температуры и влажности на основе проводящего PLA-композита с углеродным наполнителем. Установлены связи между морфологией структуры, полученной методом послойного наплавления расплавом, топологией токопроводящих дорожек и частотно-зависимым откликом при изменении температуры и относительной влажности. Показано, что экструзия через сопло и послойное формирование дорожки увеличивают удельное сопротивление одиночного трека в 3–4 раза по сравнению с исходной нитью вследствие межслоевых границ, пористости и частичной перестройки перколяционной сети. Отмечено, что последовательная топология обеспечивает наибольший относительный отклик, тогда как параллельная – минимальное базовое сопротивление. В диапазоне 20–100 °C наблюдается отрицательный температурный коэффициент сопротивления, а при изменении влажности от 40 до 100 % характер сигнала зависит от частоты измерения. Показано, что в области низких и средних частот сопротивление изменяется слабо и преимущественно определяется барьерно-перколяционным переносом, тогда как при 100 кГц может проявляться слабый вклад межфазной поляризации и емкостного шунтирования.

1. Ahmed F., Azhari A., Marzbanrad E., Liravi F., Ali U., Pope M. A., et al. (2019) Graphene Oxide Humidity Sensor Built Entirely by Additive Manufacturing Approaches. Journal of Materials Science: Materials in Electronics. 30, 8980–8988. https://doi.org/10.1007/s10854-019-01226-y.

2. Marasso S. L., Cocuzza M., Bertana V., Perrucci F., Tommasi A., Ferrero S., et al. (2018) PLA Conductive Filament for 3D Printed Smart Sensing Applications. Rapid Prototyping Journal. 24 (4), 739–743. https://doi.org/10.1108/RPJ-09-2016-0150.

3. Tirado-Garcia I., Garcia-Gonzalez D., Garzon-Hernandez S., Rusinek A., Robles G., Martinez-Tarifa J. M., et al. (2021) Conductive 3D Printed PLA Composites: On the Interplay of Mechanical, Electrical and Thermal Behaviours. Composite Structures. 265. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2021.113744.

4. Zazoum B., Batoo K. M., Khan M. A. A. (2022) Recent Advances in Flexible Sensors and Their Applications. Sensors. 22 (12). https://doi.org/10.3390/s22124653.

5. Osman A., Lu J. (2023) 3D Printing of Polymer Composites to Fabricate Wearable Sensors: A Comprehensive Review. Materials Science and Engineering: R: Reports. 154. https://doi.org/10.1016/j.mser.2023.100734.

6. Stefano J. S., Silva L. R. G., Janegitz B. C. (2022) New Carbon Black-Based Conductive Filaments for the Additive Manufacture of Improved Electrochemical Sensors by Fused Deposition Modeling. Microchimica Acta. 189 (11). https://doi.org/10.1007/s00604-022-05511-2.

7. Cieślik M., Rodak A., Susik A., Wójcik N., Szociński M., Ryl J., et al. (2023) Multiple Reprocessing of Conductive PLA 3D-Printing Filament: Rheology, Morphology, Thermal and Electrochemical Properties Assessment. Materials. 16 (3). https://doi.org/10.3390/ma16031307.

8. Matsalis S., Paterakis G., Koutroumanis N., Anagnostopoulos G., Galiotis C. (2024) Fabrication and Performance of Capacitive Humidity and Strain Sensors That Incorporate 3D-Printed Nanocomposite Electrodes. Sensors International. 5. https://doi.org/10.1016/j.sintl.2023.100272.

9. Zhao D., Jia W., Feng X., Yang H., Xie Y., Shang J., et al. (2024) Flexible Sensors Based on Conductive Polymer Composites. Sensors. 24 (14). https://doi.org/10.3390/s24144664.

10. Silva M. V. C. O., Carvalho M. S., Silva L. R. G., da Rocha R. G., Cambraia L. V., Janegitz B. C., et al. (2024) Tailoring 3D-Printed Sensor Properties with Reduced Graphene Oxide: Improved Conductive Filaments. Microchimica Acta. 191 (10). https://doi.org/10.1007/s00604-024-06720-7.

11. Wiśniewska P., Łepek A., Ryl J., Khodadadi Yazdi M. (2025) Additive Manufacturing of Electrically Conductive Polymers: A Comprehensive Review. Journal of Materials Chemistry C. 13 (42), 21302–21332. https://doi.org/10.1039/D5TC02571K.

12. Staffa A., Krivic G., Tocci M., Palmieri M., Cianetti F., Slavič J. (2025) Three-Dimensionally Printed Temperature Sensors Based on Conductive PLA Materials. Sensors. 25 (20). https://doi.org/10.3390/s25206348.

13. Jonscher A. K. (1977) The “Universal” Dielectric Response. Nature. 267, 673–679. https://doi.org/10.1038/267673a0.

14. Samet M., Kallel A., Serghei A. (2022) Maxwell-Wagner-Sillars Interfacial Polarization in Dielectric Spectra of Composite Materials: Scaling Laws and Applications. Journal of Composite Materials. 56 (20), 3197–3217. https://doi.org/10.1177/00219983221090629.