3D打印超材料骨架的無鉛壓電復合材料用于機電能量轉換

來源： 摩方科技PuSL


超材料是指一類具有天然材料所不具備的超常物理特性的人造復合結構。其優(yōu)異性能來自人工結構，而不是材料本身。超材料突破了傳統(tǒng)的設計原則，通過物理尺度上的有序結構設計獲得了優(yōu)異的性能。超材料的優(yōu)異性能引起了各個領域的關注，促使其在廣泛應用于隱形斗篷、零折射率材料、等離子傳感器、能量收集器等領域。

近期，來自南方科技大學的汪宏教授團隊以超材料為模板設計了一種陶瓷-聚合物復合材料。該團隊首先利用高精度3D打印實現(xiàn)了超材料模板，再通過溶膠-凝膠犧牲模板法制備出了無鉛壓電陶瓷骨架，將聚二甲基硅氧烷（PDMS）澆筑在陶瓷骨架上形成了一種獨特的三維互連的壓電陶瓷-聚合物復合材料。這種壓電超材料具有高機電響應和力學靈活性。這種三維互連結構的復合材料在人體運動監(jiān)測、人造肌肉和皮膚中作為傳感和自發(fā)電器件具有潛在的應用。相關成果以“Lead-free piezoelectric composite based on a metamaterial for electromechanical energy conversion”為題發(fā)表在《Advanced Materials Technologies》期刊上。

該研究使用面投影微立體光刻技術(nanoArch S140，摩方精密) 打印樹脂結構，并以該結構作為超材料模板。超材料模板尺寸：40 mm×40 mm×10 mm，打印層厚設置為10 μm，并通過最小微單元晶格調控實現(xiàn)定制化打印。隨后通過模板法制備無鉛壓電陶瓷骨架：為了使模板表面附著更多的鈦酸鋇溶膠，該團隊設計通過表面處理法使模板表面吸附一層厚厚的聚多巴胺層，之后將附著聚多巴胺的超材料浸泡在鈦酸鋇溶膠中一段時間再取出，最后經(jīng)過風干—熟化—煅燒的處理獲得最終的陶瓷骨架。

用聚二氧機硅氧烷封裝無鉛壓電陶瓷骨架，得到了一種具有超材料結構的壓電復合材料。鈦酸鋇超材料-PDMS復合材料擁有良好的力學特性，在相同鈦酸鋇體積下其壓電極化程度也比無序混亂分布的鈦酸鋇-PDMS復合材料高許多。鈦酸鋇超材料-PDMS復合材料具有高靈敏度，可以應用于不同的傳感器，如運動計步、重量感應和心跳監(jiān)測等。我們相信，這項研究將為開發(fā)用于能量采集器、傳感器和人造皮膚等機電設備的高性能柔性材料提供了一種新策略。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/admt.202200650

△圖1 面投影微立體光刻技術示意圖


△圖2 面投影微立體光刻技術打印樹脂結構作為超材料模板


△圖3 面投影微立體光刻技術打印的超材料表面附著聚多巴胺層的制備


△圖4 溶膠—凝膠法制備超材料骨架及PDMS封裝制備壓電復合材料


△圖5 鈦酸鋇超材料-PDMS復合材料的壓電性能測試


△圖6 鈦酸鋇超材料-PDMS復合材料應用于可穿戴裝置


△圖7 鈦酸鋇超材料-PDMS復合材料應用于能量收集