華中科技大學(xué)研究團隊：可自供能感知液滴撞擊的3D打印超疏水磁性器件

來源： Engineering

三維（3D）打印作為一種新興的增材制造技術(shù)，促進了多功能且復(fù)雜結(jié)構(gòu)原型的制造，在航空航天、組織工程、珠寶和柔性電子等學(xué)科領(lǐng)域展現(xiàn)了巨大的前景。由磁性粒子和可打印聚合物組成的3D打印磁性結(jié)構(gòu)，因在可控機械手、可變形軟體機器人等方面擁有巨大潛力，引起了人們的廣泛關(guān)注。

Engineering 2022年8月刊封底

華中科技大學(xué)蘇彬研究團隊在中國工程院院刊Engineering 2022年8月刊發(fā)表了題目為《可自供能感知液滴撞擊的3D打印超疏水磁性器件》的研究性文章，通過整合兩種3D打印方法，制造了一種具有柔性超疏水和磁性的器件。3D打印磁性器件（3DMD）在連續(xù)滴水時，表現(xiàn)出具有長期穩(wěn)定的力電轉(zhuǎn)換能力，輸出電流比現(xiàn)有文獻記錄的輸出電流高。結(jié)合麥克斯韋數(shù)值仿真，文章研究了3DMD的力電轉(zhuǎn)換機理，進而指導(dǎo)了各種參數(shù)的調(diào)控。此外，通過連續(xù)的雨水收集，三個集成的3DMD點亮了一個商用發(fā)光二極管（LED）。文章表明，這種結(jié)合了能量轉(zhuǎn)換的組合型設(shè)計有望推動3D打印領(lǐng)域的發(fā)展。

圖 3DMD具有自供能感知以感應(yīng)下落水滴的能力。（a）3DMD在滴水過程中的力電轉(zhuǎn)換能力示意圖。（b）由高速相機系統(tǒng)捕捉到的因水滴滴落導(dǎo)致變形之前（左）和之后（右）的3DMD光學(xué)圖像。通過3D仿真計算得到的圖（c）和（d）分別是3DMD的磁感應(yīng)強度分布的2D視圖和滴水前后線圈經(jīng)過一圈的磁感應(yīng)強度。（c）黑色和紫色虛線分別表示彈性元件和線圈的位置。相應(yīng)的電學(xué)性能：（e）電壓輸出；（f）電流輸出；（g）轉(zhuǎn)移電荷與時間曲線。在這種情況下，水滴（每個液滴體積為55 μL）在40 cm的高度釋放，并滴落在3DMD的表面上。頂部的磁粉含量為40%，厚度為2 mm。Φ1、Φ2：分別表示水滴沖擊前后通過底部線圈的磁通量；B：磁感應(yīng)強度。

文章中的3DMD結(jié)構(gòu)是通過商業(yè)3ds Max軟件設(shè)計的。采用FDM 3D打印技術(shù)，制造了不同厚度（1~3 mm）和凸起尺寸（半徑為1.0 mm或1.5 mm）的多個磁性頂部。頂部的磁性顆粒通過磁化器（中國香港久巨工業(yè)設(shè)備有限公司）在1900 V以上的高壓下產(chǎn)生的脈沖磁場進行垂直磁化。10%（質(zhì)量分數(shù)）疏水性二氧化硅納米顆粒經(jīng)過超聲處理后分散在乙醇中，然后將二氧化硅基溶液噴灑到3D打印的磁性頂部進行疏水處理。Agilus30光聚合物用于通過Polyjet 3D打印技術(shù)制造彈性桿，彈性桿長度為2~8 mm。最后通過簡單組裝三個組件，即磁性頂部、彈性桿狀底部和導(dǎo)電銅線圈來完成3DMD的制造。

文章發(fā)現(xiàn)，磁性頂部和底部線圈之間的距離變化約為1 mm，從而允許通過線圈的磁通量發(fā)生變化。當(dāng)一系列水滴在相同參數(shù)下滴下時，可以找到有規(guī)則的向上-向下響應(yīng)峰值。其中第一個電壓和電流峰值的平均輸出分別達到1.6 mV和12.9 μA。在變形/恢復(fù)過程中轉(zhuǎn)移的相應(yīng)電荷為5.2 μC。在以往的研究中，3D打印觸覺傳感器必須由外部電源供電，隨后研究人員才提出了使用壓電或摩擦電材料的自供能概念來收集水滴或微小振動的機械能。與現(xiàn)有部分文獻相比，由于電磁工作機制，3DMD的輸出電流高于已發(fā)表的紀錄。在這種情況下，3DMD可以將水滴的重力勢能轉(zhuǎn)化為電能，顯示出自供能感知能力�？傊�，文章為雨滴的靈活力電轉(zhuǎn)換策略提供了一種新方法，并且可推廣到未來的振動監(jiān)測中。

引用格式：Xuan Zhang, Qi Wang, Ruiping Zou, Bo Song, Chunze Yan, Yusheng Shi, Bin Su. 3D-Printed Superhydrophobic and Magnetic Device That Can Self-Powered Sense A Tiny Droplet Impact [J]. Engineering, 2022, 15(8): 197-206.