壓電活性聚(偏氟乙烯)薄膜的電極化輔助增材制造技術(shù)

供稿人：趙藝帆、曹毅 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

聚合物壓電材料由于其比陶瓷壓電材料能夠承受更大的應(yīng)變，因此在驅(qū)動(dòng)、傳感、能量收集和存儲(chǔ)應(yīng)用方面引發(fā)了研究學(xué)者的關(guān)注。而聚(偏氟乙烯)(PVdF)材料的傳統(tǒng)制造方法主要有兩個(gè)缺點(diǎn)：(1)它們的形狀僅限于平面或纖維狀的幾何形狀，(2)需要額外的電極化作為后處理處理。研究人員一直在探索將新的增材制造技術(shù)與傳統(tǒng)壓電聚合物制造工藝相結(jié)合來(lái)制造壓電PVdF器件的前景。

因此，在該項(xiàng)工作中提出了一種新型的電極化輔助增材制造(EPAM)技術(shù)，該技術(shù)集成了融合沉積建模(FDM)三維(3D)打印機(jī)與電暈電極化裝置相結(jié)合，可以直接打印具有改進(jìn)壓電特性的壓電活性材料，如圖1所示。

圖1 靜態(tài)電暈極化設(shè)置:電暈極化站的(a)原理圖和(b)照片;(c)點(diǎn)平面幾何中的電暈電極化原理圖,電場(chǎng)和離子流線

所開(kāi)發(fā)的EPAM技術(shù)克服了與接觸極化法相比，EPAM方法消除了應(yīng)用電極進(jìn)行極化的需要。EPAM過(guò)程可以同時(shí)完成拉伸和極化，這是極化的必要條件。在EPAM過(guò)程中，拉伸熔融的PVdF棒會(huì)在薄膜平面上重新排列非晶鏈，并且施加的電場(chǎng)使偶極子向同一方向?qū)�齊。EPAM過(guò)程可以打印自由形式的PVdF結(jié)構(gòu)，并誘導(dǎo)β相的形成，這是壓電響應(yīng)的主要原因，如圖2所示。

圖2 EPAM 3D打印機(jī)原理圖和EPAM期間PVdF從α相到β相的相變(a=2.54 mm, b=5 mm, c=3 mm, d=12 mm,圖中夸大了樣品厚度);(b) sEPAM 3D打印機(jī)(m=n=1)和(c) mEPAM 3D打印機(jī)(m=6,n = 13)

根據(jù)壓電輸出電壓計(jì)算了壓電活性(pC/N)。壓電活度與壓電系數(shù)呈正相關(guān)，結(jié)果表明，在9.0 pC/N條件下，EPAM打印的PVdF薄膜的平均壓電活性為47.76 pC/N，約為未極化的3D打印薄膜的5倍。未極化的3D打印PVdF薄膜的壓電活性表明，在沒(méi)有電場(chǎng)的情況下，3D打印不會(huì)導(dǎo)致偶極子對(duì)齊，如圖3所示。

圖3 (a)3D打印PVdF薄膜的平均壓電活性和(b) FTIR光譜,右側(cè)為左側(cè)的放大部分,波數(shù)范圍為825~900cm−1

三維打印樣品表現(xiàn)出各向異性的力學(xué)行為，且粘接表面強(qiáng)度對(duì)打印速度很敏感。在3 mm/s和0◦時(shí)達(dá)到最大楊氏模量(534.63 MPa)，在20 mm/s和90◦時(shí)達(dá)到最高的極限抗拉強(qiáng)度(UTS)(25.35 MPa)。EPAM打印樣品的楊氏模量和UTS均低于未極化樣品，如圖4所示。

圖4 (a)楊氏模量和(b)在不同填充方向(10 mm/s)下有無(wú)銀電極的極限抗拉強(qiáng)度比較；(c)楊氏模量和(d)極限抗拉強(qiáng)度對(duì)3D打印的未極化和mEPAM打印的PVdF樣品的抗拉強(qiáng)度比較

一個(gè)完全的3D打印設(shè)備被證明可以識(shí)別力的位置和大小，最后通過(guò)結(jié)構(gòu)嵌入的集成發(fā)光二極管(led)可視化，如圖5所示。

圖5 (a)全3D打印PVdF力傳感矩陣的架構(gòu)示意圖,與(b) DIW打印導(dǎo)電痕跡在一個(gè)表面安裝LED的PET薄膜上;(c)一個(gè)PVdF傳感器的輸出信號(hào)和由該信號(hào)驅(qū)動(dòng)的led的快照;(d)輸出來(lái)自具有多個(gè)通道的PVdF傳感矩陣的信號(hào),測(cè)量的信號(hào)和由(e)傳感器#1和(f)傳感器#2的信號(hào)驅(qū)動(dòng)的led快照

總的來(lái)說(shuō)，由于機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的靈活性和壓電材料的易于打印性，所開(kāi)發(fā)的EPAM技術(shù)為簡(jiǎn)化器件設(shè)計(jì)和制造方法以及低成本的實(shí)現(xiàn)開(kāi)辟了一條新的途徑。

參考文獻(xiàn)：
Jinsheng Fan, Naomi Deneke, Shujia Xu, et al .Electric poling-assisted additive manufacturing technique for piezoelectric active poly(vinylidene fluoride) films: Towards fully three-dimensional printed functional materials, Additive Manufacturing, Volume 60, Part A, 2022, 103248, ISSN 2214-8604, https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.103248.