3D打印制備不同方向壓力的定向響應(yīng)的壓電材料

作者：連偉波 魯中良

壓電材料是受到壓力作用時(shí)會(huì)在兩端面間出現(xiàn)電壓的晶體材料。壓電材料的應(yīng)用領(lǐng)域可以粗略分為兩大類：即振動(dòng)能和超聲振動(dòng)能-電能換能器應(yīng)用，包括電聲換能器，水聲換能器和超聲換能器等，以及其它傳感器和驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用。然而，塊狀壓電陶瓷以及壓電聚合物復(fù)合材料的壓電常數(shù)與其結(jié)構(gòu)合組成密切相關(guān)。盡管化學(xué)修飾，例如摻雜可以在某些方向上改變材料的壓電常數(shù)，這種方式在改變其他物理性質(zhì)（柔性或敏感度）方面仍然具有很大的局限性。

弗吉尼亞理工大學(xué)工程學(xué)院鄭小雨等提出了一種利用3D打印的方式實(shí)現(xiàn)一種新型壓電材料制造，并且采用這種方法制備了具有高壓電特性的材料，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同方向壓力的定向響應(yīng)。

圖1 利用光活性單體對(duì)PZT表面功能化以及3D打印復(fù)雜形狀的功能材料

這種壓電材料的制造方法為：首先采用功能化劑（三甲氧基甲基丙烯酸丙酯）共價(jià)接到PZT顆粒上合成表面功能化的壓電納米粒子，表面通過硅氧烷鍵在表面留下自由的甲基丙烯酸酯（如圖a）；通過提高表面功能化水平，提高復(fù)合顆粒材料的壓電相應(yīng)水平，使之達(dá)到最大（如圖b）；最后通過3D打印系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)納米顆粒的粘接成形（如圖c），得到壓電材料塊體，其顯微結(jié)構(gòu)如圖d所示。

圖2 力方向感知測試。

通過利用改新型材料不同結(jié)構(gòu)有不同壓力靜電相應(yīng)的特性，設(shè)計(jì)如圖2b所示的結(jié)構(gòu)，并對(duì)不同方向進(jìn)行壓力測試，可以實(shí)現(xiàn)三個(gè)方向的不同的壓電相應(yīng)壓電材料的制備。

這種通過3D打印來實(shí)現(xiàn)各向異性和定向效應(yīng)的高響應(yīng)性壓電材料。這項(xiàng)工作是朝著設(shè)計(jì)3D傳感器材料方向邁出的一步，通過這種材料，用戶可以為目標(biāo)應(yīng)用設(shè)計(jì)，放大和抑制等的操作模式。這種新型結(jié)構(gòu)與功能的壓電材料突破了傳統(tǒng)傳感器整列部署的模式，通過3D打印制造方式為未來智能材料設(shè)計(jì)提供了一種思路。

參考文獻(xiàn)
Three-dimensional printing of piezoelectric materials with designed anisotropy and directional response. Huachen Cui, Ryan Hensleigh, Desheng Yao, Deepam Maurya ，et.  Nature Mater, （2019）

供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室