基于3D打印提升壓電和仿生機械性能的塊狀鐵電材料制造

供稿人：韓宇、魯中良 供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室


三維鐵電材料是實現(xiàn)人機接口、能源可持續(xù)性和增強治療的機電構(gòu)件。 然而，目前的天然或合成材料均不能同時提供高壓電響應和所需的機械韌性，以滿足實用條件。 近來，美國威斯康星大學研究人員Jun Li[1]等人通過熔融沉積成形技術(shù)（FDM），創(chuàng)造了一種具有陶瓷壓電特性和類人骨斷裂韌性的層狀鐵電超材料塊體，相比現(xiàn)有其他材料，其縱向壓電荷系數(shù)顯著增強，抗裂性比傳統(tǒng)壓電陶瓷高3倍以上，在智能生物系統(tǒng)應用中顯示出了極大的潛力。

該團隊在層狀鐵電超材料塊體的設計中采用了片式多層陶瓷電容器（MLCC）結(jié)構(gòu)，交替堆疊的軟鐵電層和硬電極層通過FDM以原位極化功能直接批量打印。其中，軟電極層使用的是高導電性炭黑填料(CB)和聚乳酸（PLA）混合物，硬電極層由無鉛Li-KNN、含鉛鐵電陶瓷、聚偏氟乙烯-共六氟丙烯(PVDF-HFP)組成。

圖1描述了實現(xiàn)所述MLCC結(jié)構(gòu)的操作和基本測試：圖1 (a)顯示了通過反復構(gòu)建軟鐵電層和硬導電層的打印過程。其中，打印期間，在噴嘴和導電層之間施加一個電場；左下角的插圖是鐵電復合材料（上圖）和導電復合材料（下圖）的掃描電子顯微鏡(SEM)圖；中下部的插圖是打印前后的偶極子對準的原理圖；右側(cè)插圖是Li-KNNMPs和PLA之間的結(jié)合界面示意圖。圖1 (b)通過有限元分析模擬了噴嘴和MLCC結(jié)構(gòu)之間的電位分布。圖1 (c)利用長波紅外成像拍攝了打印過程中鐵電結(jié)構(gòu)周圍的溫度分布。圖1 (d)是SEM側(cè)視角度的鐵電超材料層狀異質(zhì)結(jié)構(gòu)。圖1 (e)是結(jié)構(gòu)中Nb元素（上圖）和F元素（下圖）的能量色散X射線光譜圖(EDS)。

圖1 3 D打印技術(shù)實現(xiàn)層狀鐵電超材料塊體

圖2給出了利用圖1所示的打印技術(shù)制造的人骨結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)性能測試：圖2(a)是內(nèi)埋壓電近端的指骨響應人體運動的示意圖。圖2 (b)展示了當沿垂直和水平方向受到微小沖擊力時，沿指骨長（上圖）、短（下圖）軸打印的人工骨的各向異性壓電響應。圖2 (c)是指骨結(jié)構(gòu)的壓縮應力-應變曲線，其中圖(i)對比了利用PLA/CB（紅色）、鐵電超材料（藍色），PVDF-HFP/Li-KNN（黑色）打印的結(jié)構(gòu)特性曲線，圖(ii)對比了在相同鐵電、電極層數(shù)條件下，3d打印鐵電超材料在孔隙率從0%到75%變化時的結(jié)構(gòu)特性曲線。圖2 (d)通過調(diào)整成分和孔隙率，確定了所制造指骨的壓縮模量范圍。圖2 (e)為該團隊研發(fā)的人工指骨與其他材料制作人工骨的斷裂韌性對比圖，結(jié)果表明鐵電超材料MLCC結(jié)構(gòu)性能優(yōu)于其他一系列天然或合成壓電材料類似制品性能。

圖2 3d打印的壓電式人工骨骼及性能測試

需要注意的是，F(xiàn)DM技術(shù)的常見缺陷如斑點和孔隙等，在Jun Li團隊的研究仍然存在。但總體而言，該團隊開發(fā)的這種具有特殊壓電性和斷裂韌性的層狀鐵電超材料塊體，為未來建立具有各向異性壓電性、高韌性和可調(diào)模量的全尺寸壓電骨樣結(jié)構(gòu)提供了研究參考。
參考文獻：

    李杰，楊F，龍Y，等。 來自增材制造的具有增強壓電和仿生機械性能的塊體鐵電超材料[J]. ACS 納米, 2021, 15(9):14903-14914。