3D打印制備不同方向壓力的定向響應的壓電材料

作者：連偉波 魯中良

壓電材料是受到壓力作用時會在兩端面間出現(xiàn)電壓的晶體材料。壓電材料的應用領(lǐng)域可以粗略分為兩大類：即振動能和超聲振動能-電能換能器應用，包括電聲換能器，水聲換能器和超聲換能器等，以及其它傳感器和驅(qū)動器應用。然而，塊狀壓電陶瓷以及壓電聚合物復合材料的壓電常數(shù)與其結(jié)構(gòu)合組成密切相關(guān)。盡管化學修飾，例如摻雜可以在某些方向上改變材料的壓電常數(shù)，這種方式在改變其他物理性質(zhì)（柔性或敏感度）方面仍然具有很大的局限性。

弗吉尼亞理工大學工程學院鄭小雨等提出了一種利用3D打印的方式實現(xiàn)一種新型壓電材料制造，并且采用這種方法制備了具有高壓電特性的材料，實現(xiàn)對不同方向壓力的定向響應。

圖1 利用光活性單體對PZT表面功能化以及3D打印復雜形狀的功能材料

這種壓電材料的制造方法為：首先采用功能化劑（三甲氧基甲基丙烯酸丙酯）共價接到PZT顆粒上合成表面功能化的壓電納米粒子，表面通過硅氧烷鍵在表面留下自由的甲基丙烯酸酯（如圖a）；通過提高表面功能化水平，提高復合顆粒材料的壓電相應水平，使之達到最大（如圖b）；最后通過3D打印系統(tǒng)實現(xiàn)納米顆粒的粘接成形（如圖c），得到壓電材料塊體，其顯微結(jié)構(gòu)如圖d所示。

圖2 力方向感知測試。

通過利用改新型材料不同結(jié)構(gòu)有不同壓力靜電相應的特性，設(shè)計如圖2b所示的結(jié)構(gòu)，并對不同方向進行壓力測試，可以實現(xiàn)三個方向的不同的壓電相應壓電材料的制備。

這種通過3D打印來實現(xiàn)各向異性和定向效應的高響應性壓電材料。這項工作是朝著設(shè)計3D傳感器材料方向邁出的一步，通過這種材料，用戶可以為目標應用設(shè)計，放大和抑制等的操作模式。這種新型結(jié)構(gòu)與功能的壓電材料突破了傳統(tǒng)傳感器整列部署的模式，通過3D打印制造方式為未來智能材料設(shè)計提供了一種思路。

參考文獻
Three-dimensional printing of piezoelectric materials with designed anisotropy and directional response. Huachen Cui, Ryan Hensleigh, Desheng Yao, Deepam Maurya ，et.  Nature Mater, （2019）

供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室