弗吉尼亞理工學院鄭小雨團隊突破晶格局限3D打印壓電智能材料

文/知社學術圈

壓電材料是受到壓力作用時會在相對表兩端面間產生出現(xiàn)電壓的晶體材料。 壓電材料存在于現(xiàn)有各種傳感器當中，在換能器，傳感器，驅動器，聲納，手機 和 機器人等方面有普遍應用。

1880年，法國物理學家P. 居里和J.居里兄弟發(fā)現(xiàn)，把重物放在石英晶體上，晶體某些表面會產生電荷，電荷量與壓力成比例。利用壓電材料的這些特性可實現(xiàn)機械振動（聲波）和交流電的互相轉換。 打火機的點火裝置，就是由壓電陶瓷受壓力尖端放電產生。

壓電效應的產生是晶胞中正負離子在外界條件作用下出現(xiàn)的相對位移使正負電荷中心不再重合，導致晶體發(fā)生宏觀極化。 壓電電荷的流動方向取決于并遵循其陶瓷和晶體材料的晶格排列。其電壓輸出特性、壓電系數(shù)便局限于壓電材料本身的空間晶格排列。所有壓電傳感器，便需要特定的工藝制成片狀，分別制成陣列，安裝于需要傳感的物體表面。因此，壓電材料的難加工，脆性，重量，設計和操縱的難度是本領域的一大挑戰(zhàn)。

為解決上述上述挑戰(zhàn)，位于美國東部的弗吉尼亞理工學院的Xiaoyu (Rayne) Zheng 鄭小雨教授及其實驗室博士團隊首次打破這一局限，提出可任意設計可快速打印的壓電三維材料，實現(xiàn)電壓在任意方向可被放大，縮小，及反向的特性。 其成果由Huachen Cui (崔華晨)， Ryan Hensleigh, Desheng Yao （姚德圣）等于2019年1月21日，在《Nature Materials》名為  “Three-dimensional printing of piezoelectric materials with designed anisotropy and directional response” 的文章中發(fā)表。

他們的設計方案正來源于利用壓電效應產生的晶格原理并打破晶格的局限性，通過三維幾何構型在二維投影面的投影的分布，巧妙的設計出在各個方向具有不同壓電輸出的人工壓感結構 (圖1)。該設計理念巧妙的聯(lián)想于人們熟悉的影子木偶游戲。 該單元人工晶格結構，通過排列組合，構成了三維桁架式立體結構。通過設計和機電耦合有限元計算，實現(xiàn)在三個坐標方向上具有不同的對稱性從而產生任意壓電系數(shù)空間方向張量，實現(xiàn)遠超過晶體本身的對稱分布。他們通過使用不同連接度的設計單元進行組合， 還可使一完整結構同時具有不同的剛度和強度特性，實現(xiàn)力電多功能壓電耦合材料。

圖1（a）

圖1（b）

圖1 三維投影法實現(xiàn)壓電張量方向設計

圖2: 高靈敏度壓電材料的合成及增材制造

1 多功能柔性可穿戴智能材料

通過電壓激活后，該團隊設計和制造出了一系列新型智能材料。該三維材料可具有任意形狀，任意內部結構復雜度，并且每一個節(jié)點，單元和材料本身任意部位均具有壓電感應功能，無需任何附加傳感器即可實現(xiàn)電壓輸出。 該團隊開發(fā)了該材料的多種潛在應用，他們做出了柔性壓電材料，將材料附著在任意曲面上探測壓力，將材料打印成指環(huán)感應手指彎曲力。  同時他們打印出輕質，堅硬的吸能材料，該壓電材料可實時探測到表面受到的沖擊同時將吸入的能量實時檢測出。

圖3: 可穿戴柔性壓電材料實時自行探測動態(tài)壓力

2 自感應吸能材料及護甲  

由于這種智能材料各個部位均具有壓電感應，其打印制成的三維結構將無需任何附加傳感器，并探測出任意位置的壓力或震動。 為實現(xiàn)這一特性，該團隊打印出智能橋梁結構，該結構，在無任何附加傳感器條件下，實現(xiàn)靈敏探測任意位置上的擾動和撞擊。而在現(xiàn)有傳感技術和結構損傷檢測當中，則需要在各個位置上布滿大量的壓電傳感器來實現(xiàn)�，F(xiàn)有傳感器技術中，對于復雜結構的測量，則需通過復雜算法優(yōu)化計算，最終來決定傳感器陣列的布置。這種自感應三維材料，則通過任意部位的壓電結構材料，首次解決了這一難題 （圖4）。

圖4 智能壓電橋梁絎架結構

3 矢量傳感領域

通過人工晶格設計制成的壓電超材料，可以很靈巧的實現(xiàn)矢量探測傳感功能。通過排列組合預先設計的壓電系數(shù)，該團隊可將不同的電壓符號作為二維碼，來實現(xiàn)任意位置機械波和力的大小，方向自行測量, 圖5。該團隊進一步展示了壓電超材料的功能設計及其自行壓力傳感器的功能展示。 該團隊并展望其在矢量傳感器，水下探測，生物及汽車安全防護傳感器均可得到應用。

    圖5

4 增材制造及超材料領域

微筑超材料是自2014 年以來新型的材料領域, 通過設計材料微納米三維幾何構架，并通過高精度3D打印制成 超輕質材料，其密度是水密度的1/100一下，同時具有比石墨烯空氣膠，碳納米管空氣膠高達幾個數(shù)量級的硬度。早在2014 年，曾就職于美國能源部勞倫斯利弗摩爾國家實驗室的鄭小雨，連同Christopher Spadaccini, 合作者MIT 的Nicholas Fang及合作者共同開發(fā)了超輕超硬的超材料，Zheng, X, et al., Ultralight Ultrastiff Mechanical Metamaterials, Science, 20 Jun 2014 。

他們將微筑材料通過3D打印光固化制成金屬，陶瓷及有機材料，展示了其超輕，超硬的特性。該研究曾在2015年麻省理工科技評論被評為十大技術突破之一。

2016年，加入弗吉尼亞理工學院的鄭小雨又將超材料擴展到大面積，多尺度領域，開發(fā)出了大面積增材制造的多層級尺度金屬超材料，將尺度范圍擴大到七個數(shù)量級，同時涵蓋百萬個微納米絎架單元，其結果發(fā)表于 2016 年的 Nature Materials 當中。Zheng, X, et al., Multi-scale metallic metamaterials, Nature Materials, 18 July 2016

鄭小雨教授的團隊，在這篇文章中，首次將機械超材料賦予智能化，將其所有力學特性傳遞到電壓輸出，拓展出新的機電耦合超材料。

佐治亞理工機械學院教授 H. Jerry Qi  評論道：

“The authors wisely combined piezo-active nanocomposites, additive manufacturing, and metamaterials and achieved a new class of sensitive and controllable light-weight smart materials. These smart materials offer a tremendous potential for future applications such as smart structures, new armors as well as intelligent wearable materials.”

麻省理工機械工程系教授Nicholas Xuanlai Fang點評：

This work presents an exciting breakthrough of microstructured functional piezoceramic materials. It shows promise for revolutionize high performance and compact piezoelectric transducers in a wide array of applications such as energy harvesting devices and personal ultrasound actuators.

劍橋大學材料工程系教授Professor Vikram Deshpande,（UK）點評：

This work combines the notion of electromagnetic metamaterials with mechanical metamaterials to create highly responsive piezoelectric materials. It provides a new way to alter piezoelectric anisotropy, representing a new concept for smart material design.

賓州大學Penn State材料學院Shashank Priya, Professor and Vice President of Research點評：

“The ability to achieve the desired mechanical, electrical and thermal properties will significantly reduce the time and effort needed to develop practical materials”

研究組簡介

鄭小雨博士的研究組從事先進增材制造及超材料的設計開發(fā)（https://www.raynexzheng.com/），曾先后于2017 和2018年榮獲美國空軍基礎科學部 （AFOSR YIP AWARD）年輕教授獎和海軍研究部頒發(fā)的年輕教授獎 (ONR YIP AWARD)。

論文主要作者： 左 Ryan Hensleigh, Xiaoyu (Rayne) Zheng鄭小雨（通訊作者），Huachen Cui 崔華晨 （第一作者），Desheng Yao 姚德勝

左起，Huachen Cui，Desheng Yao， Xiaoyu Zheng，Ryan Hensleigh

文/知社學術圈