華中科技大學(xué)創(chuàng)新3D打印磁性結(jié)構(gòu)輕松發(fā)電

來源： Engineering

三維（3D）打印作為一種新興的增材制造技術(shù)，促進(jìn)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。這種結(jié)構(gòu)驅(qū)動形狀改變的力會導(dǎo)致磁場分布發(fā)生變化，表明這種結(jié)構(gòu)具有將機械能轉(zhuǎn)化為電能的能力。

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。文章指出，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(xiàn)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(jìn)而指導(dǎo)了各種參數(shù)的調(diào)控。此外，文章通過連續(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。

文章中的3DMD結(jié)構(gòu)是通過商業(yè)3ds Max軟件設(shè)計的。采用熔融沉積建模（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在1900 V以上的高壓下產(chǎn)生的脈沖磁場進(jìn)行垂直磁化。10%（質(zhì)量分?jǐn)?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(jìn)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。

文章通過采用3D打印制造了一個柔性的超疏水和磁性系統(tǒng)，用于自供能感知下落的水滴。3DMD的兩個部分，即磁性頂部和彈性桿底部分別通過FDM和Polyjet技術(shù)制備。由于具有超疏水表面，3DMD在連續(xù)滴水的情況下表現(xiàn)出長期穩(wěn)定的力電轉(zhuǎn)換能力。這主要歸因于有效降低的固/液黏附性，確保了磁性和電氣元件之間可靠的距離變化，進(jìn)而實現(xiàn)發(fā)電。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。

以上內(nèi)容來自：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.

原文鏈接：http://www.engineering.org.cn/en/10.1016/j.eng.2022.04.009