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(Arizona State University) 陳相帆團隊首次將微尺度連續(xù)液體界面制造3D打印技術應用于制造壓電超材料，實現(xiàn)了壓電陶瓷復合材料的高精度、高速度、連續(xù)成型3D打印。相關文章發(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方面具有巨大的潛力。與此同時，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，或是基于光固化式原理, 例如投影式光固化（Digital light processing，DLP）技術等，均很難同時實現(xiàn)壓電材料的高精度和高速度3D打印，這限制了關于3D壓電超材料的進一步研究和大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)應用。

02 研究進展

美國亞利桑那州立大學(Arizona State University) 陳相帆團隊首次將微尺度連續(xù)液體界面制造（Micro Continuous Liquid Interface Production, μCLIP）3D打印技術應用于制造壓電超材料，實現(xiàn)了壓電陶瓷復合材料的高精度、高速度、連續(xù)成型3D打印。



圖1. 連續(xù)快速壓電陶瓷復合材料的3D打印

團隊首先對常用壓電陶瓷材料如鈦酸鋇（Barium titanate, BTO）的納米級顆粒進行了化學表面修飾，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)實現(xiàn)了最高可達60 微米/秒的最優(yōu)打印速度，在保持了微米級打印精度以及同等量級的壓電性能的同時，與其他基于DLP的壓電陶瓷復合材料3D打印技術相比，將打印速度提高了至少10倍。同時，團隊驗證了將這技術應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，進一步展示了這一技術應用范圍的廣泛性。



圖2 最優(yōu)化打印速度及材料壓電性能；3D打印復雜、多尺度壓電結構展示

在此基礎上，團隊通過μCLIP打印并表征了一種常見的體心立方（Body-centered cubic）晶格結構壓電超材料，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)的機械及壓電性能。團隊進一步制造打印并表征了一系列不同結構的壓電超材料，驗證了使用這一技術制造應用于柔性電子，可穿戴設備等領域的3D壓電超材料的可行性。



圖3. 柔性及可穿戴壓電傳感應用

03
未來展望

該成果實現(xiàn)了壓電陶瓷復合材料的高精度，高速度3D打印，所打印的壓電陶瓷材料具有可靠的機械及壓電性能，因此具有應用于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的潛力，同時也為進一步設計和制造新型的，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。

04
作者簡介

陳相帆（Chen Xiangfan）美國亞利桑那州立大學（Arizona State University）工程學院（Ira A. Fulton Schools of Engineering） 制造工程專業(yè)助理教授。主要研究領域為先進制造技術，包括微納尺度增材制造(3D打印)與納米壓印技術，光學相關功能器件的設計、加工、表征及工程應用，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/