Research：微尺度連續(xù)液體界面3D打印用于制造壓電超材料

美國亞利桑那州立大學(xué)(Arizona State University) 陳相帆團(tuán)隊(duì)首次將微尺度連續(xù)液體界面制造3D打印技術(shù)應(yīng)用于制造壓電超材料，實(shí)現(xiàn)了壓電陶瓷復(fù)合材料的高精度、高速度、連續(xù)成型3D打印。相關(guān)文章發(fā)表在Research上。

Citation：Siying Liu, Wenbo Wang, Weiheng Xu, Luyang Liu, Wenlong Zhang, Kenan Song, Xiangfan Chen, "Continuous Three-Dimensional Printing of Architected Piezoelectric Sensors in Minutes", Research, vol. 2022, Article ID 9790307, 13 pages, 2022. https://doi.org/10.34133/2022/9790307


01 研究背景

研究表明三維（3D）壓電超材料（metamaterials）在提供各向異性或指向性的壓電效應(yīng)方面具有巨大的潛力。與此同時(shí)，3D打印也已被證明是用來制造3D壓電超材料的有效途徑。然而，不論是基于擠出式原理的例如墨水直寫（Direct ink writing，DIW）技術(shù)，或是基于光固化式原理, 例如投影式光固化（Digital light processing，DLP）技術(shù)等，均很難同時(shí)實(shí)現(xiàn)壓電材料的高精度和高速度3D打印，這限制了關(guān)于3D壓電超材料的進(jìn)一步研究和大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用。

02 研究進(jìn)展

美國亞利桑那州立大學(xué)(Arizona State University) 陳相帆團(tuán)隊(duì)首次將微尺度連續(xù)液體界面制造（Micro Continuous Liquid Interface Production, μCLIP）3D打印技術(shù)應(yīng)用于制造壓電超材料，實(shí)現(xiàn)了壓電陶瓷復(fù)合材料的高精度、高速度、連續(xù)成型3D打印。



圖1. 連續(xù)快速壓電陶瓷復(fù)合材料的3D打印

團(tuán)隊(duì)首先對常用壓電陶瓷材料如鈦酸鋇（Barium titanate, BTO）的納米級(jí)顆粒進(jìn)行了化學(xué)表面修飾，基于此配制了最高含有30 wt% 陶瓷納米顆粒的光固化3D打印樹脂。通過優(yōu)化打印參數(shù)實(shí)現(xiàn)了最高可達(dá)60 微米/秒的最優(yōu)打印速度，在保持了微米級(jí)打印精度以及同等量級(jí)的壓電性能的同時(shí)，與其他基于DLP的壓電陶瓷復(fù)合材料3D打印技術(shù)相比，將打印速度提高了至少10倍。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證了將這技術(shù)應(yīng)用于其他常見如鋯鈦酸鉛（Lead zirconate titanate，PZT）、氮化鋁（Aluminum nitride，AlN）等常見的壓電陶瓷材料的可能性，進(jìn)一步展示了這一技術(shù)應(yīng)用范圍的廣泛性。



圖2 最優(yōu)化打印速度及材料壓電性能；3D打印復(fù)雜、多尺度壓電結(jié)構(gòu)展示

在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)通過μCLIP打印并表征了一種常見的體心立方（Body-centered cubic）晶格結(jié)構(gòu)壓電超材料，展示了壓電超材料相較于傳統(tǒng)壓電材料具有顯著提升的、可調(diào)節(jié)的機(jī)械及壓電性能。團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步制造打印并表征了一系列不同結(jié)構(gòu)的壓電超材料，驗(yàn)證了使用這一技術(shù)制造應(yīng)用于柔性電子，可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域的3D壓電超材料的可行性。



圖3. 柔性及可穿戴壓電傳感應(yīng)用

03
未來展望

該成果實(shí)現(xiàn)了壓電陶瓷復(fù)合材料的高精度，高速度3D打印，所打印的壓電陶瓷材料具有可靠的機(jī)械及壓電性能，因此具有應(yīng)用于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的潛力，同時(shí)也為進(jìn)一步設(shè)計(jì)和制造新型的，具有可調(diào)節(jié)的各向異性或指向性性能的壓電3D壓電超材料提供了可靠的平臺(tái)。

04
作者簡介

陳相帆（Chen Xiangfan）美國亞利桑那州立大學(xué)（Arizona State University）工程學(xué)院（Ira A. Fulton Schools of Engineering） 制造工程專業(yè)助理教授。主要研究領(lǐng)域?yàn)橄冗M(jìn)制造技術(shù)，包括微納尺度增材制造(3D打印)與納米壓印技術(shù)，光學(xué)相關(guān)功能器件的設(shè)計(jì)、加工、表征及工程應(yīng)用，近年在Research、 Advanced Materials、 Nano Letters、 Advanced Optical Materials 等期刊發(fā)表多篇論文。

課題組主頁：https://chenlab.engineering.asu.edu/