《Nature》子刊：3D打印仿生結(jié)構(gòu)中生長可回收和可修復(fù)的壓電復(fù)合材料

來源： 果殼硬科技

最近，輕便、耐用且智能的生物電子傳感器在運動和老年學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的研究和開發(fā)，這是由于集成傳感功能和保護需求的增加。然而，智能傳感功能和高強度的保護并不總能達到平衡。例如，最前沿的可穿戴電子產(chǎn)品用軟性壓電材料或柔性印刷電路板（F-PCB）構(gòu)建，但它們在保護方面存在不足。相比之下，高級裝甲采用堅固的有機纖維、金屬或無機陶瓷制成，但難以應(yīng)用于傳感器技術(shù)。未來的應(yīng)用將需要將傳感和保護功能整合到一體，以生產(chǎn)多功能可穿戴傳感器，如運動背心、太空裝甲和老年護理設(shè)備，這將需要新的制造策略來實現(xiàn)。

多功能傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)是源于受啟發(fā)和構(gòu)建于特定微觀結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化。自然界中存在的生物結(jié)構(gòu)已經(jīng)演化了成千上萬年，并因其低密度和高強度而在各種應(yīng)用的功能結(jié)構(gòu)材料設(shè)計中引起廣泛興趣。一個引人注目的例子是墨魚（Cuttlefish），其具有堅固的墨魚骨結(jié)構(gòu)（Cuttlebone），能夠承受深海高水壓環(huán)境。墨魚骨的卓越保護性能關(guān)鍵在于其獨特的腔壁隔片微結(jié)構(gòu)，能夠在高壓環(huán)境下實現(xiàn)高剛度和吸能性。此外，這些隔片微結(jié)構(gòu)還在墨魚骨內(nèi)部提供了高孔隙率，成為多功能傳感器設(shè)計的絕佳模型。

鑒于此，美國圣地亞哥州立大學(xué)Yang Yang教授團隊和武漢大學(xué)Ziyu Wang教授團隊合作，報告了一種策略，在 3D 打印的墨魚骨啟發(fā)結(jié)構(gòu)中生長可回收和可修復(fù)的壓電羅謝爾鹽晶體（Rochelle Salt Crystal），以形成用于智能檢測的新型強化復(fù)合材料。論文以“Growing Recyclable and Healable Piezoelectric Composites in 3D Printed Bioinspired Structure for Protective Wearable Sensor”為題，發(fā)表在Nature Communications期刊。

圣地亞哥州立大學(xué)及加州大學(xué)圣地亞哥分校聯(lián)合培養(yǎng)博士生Qingqing He，南加州大學(xué)博士生Yushun (Sean) Zeng， 四川大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院特聘副研究員Laiming Jiang為論文的共同第一作者。論文參與作者還包括圣地亞哥州立大學(xué)Eugene Olevsky教授，Wenwu Xu教授，博士生Runjian Jiang，研究生Brandon Bethers，南加州大學(xué)博士生Gengxi Lu, Haochen Kang, Chen Gong, 武漢大學(xué)Pei Li，Yue Hou，加州大學(xué)爾灣分校Lizhi Sun教授，博士生Shengwei Feng，Grossmont College學(xué)院學(xué)生Peter Sun以及Canoo Technologies Inc的Jie Jin博士。

方法

a. 理論背景:

本文討論了多功能可穿戴傳感器的需求，這些傳感器結(jié)合了感知和保護功能。目前用于生物監(jiān)測的可穿戴電子設(shè)備缺乏保護能力，而先進的裝甲不能作為傳感器。作者提出了一種策略，通過在3D打印的魷魚骨結(jié)構(gòu)中生長可回收和可愈合的壓電羅謝爾鹽晶體，以創(chuàng)建一種新的增強型智能監(jiān)測裝置的復(fù)合材料。

b. 技術(shù)路線:

傳統(tǒng)的壓電復(fù)合材料制造技術(shù)受到復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計的限制。作者提出使用增材制造，特別是3D打印，來克服這些障礙，并制造具有增強機械和電氣性能的復(fù)雜仿生結(jié)構(gòu)。魷魚骨結(jié)構(gòu)中的空腔空間可以填充具有特定功能的材料，用于傳感應(yīng)用。

結(jié)果

a.實驗設(shè)置:

作者直接在3D打印的魷魚骨結(jié)構(gòu)中生長羅謝爾鹽晶體，以創(chuàng)建具有集成機械保護和電氣感應(yīng)能力的智能監(jiān)測裝置。使用光固化技術(shù)進行3D打印，羅謝爾鹽晶體填充了微觀結(jié)構(gòu)壁之間的間隙。

b. 實驗結(jié)果:

3D打印的魷魚骨結(jié)構(gòu)中生長的羅謝爾鹽晶體表現(xiàn)出較高的壓電性能。復(fù)合材料的輸出電壓受垂直方向施加的重量負載顯著影響。與其他制造的復(fù)合材料相比，20%的復(fù)合材料顯示出最高的輸出性能。循環(huán)沖擊測試表明，3D打印的羅謝爾鹽晶體裝置在6800次沖擊循環(huán)中保持穩(wěn)定的輸出電壓。20%復(fù)合材料的有效壓電系數(shù)d33約為30 pC/N。復(fù)合材料還表現(xiàn)出相反的壓電行為，施加電壓時位移增加。結(jié)構(gòu)有限元方法模擬確認了在垂直于復(fù)合材料施加重量時的壓電電位分布。與其他3D打印的壓電材料相比，3D打印的羅謝爾鹽晶體顯示出優(yōu)異的壓電輸出電壓和相對較低的沖擊力。

圖1 3D 打印 RSC 的設(shè)計和晶體生長過程a) 仿生3D打印墨魚骨骼結(jié)構(gòu)和RS晶體生長過程示意圖；b) 3D打印結(jié)構(gòu)中不同時間晶體生長的圖片；樣品的CT掃描圖和樣品的EDX元素分析；c) 多個3D打印的人造墨魚骨復(fù)雜結(jié)構(gòu)的照片，展示了這種3D打印方法的設(shè)計靈活性。

圖2 3D 打印 RSC 的回收和修復(fù)性能研究a) 通過注射器滴加RS溶液修復(fù)破損的3D打印RSC樣品過程的示意圖和照片；b) 3D打印-RSC回收過程照片；c) 原始3D打印RSC樣品與回收和修復(fù)后樣品的壓電響應(yīng)比較；d) 原始樣品、修復(fù)樣品、回收樣品的力學(xué)性能對比；e) 原始、愈合、回收的 3D 打印 RSC 樣品的斷裂韌性 (KIC) 和彎曲強度 (KF) 比較。

圖3 用于增強防護的智能裝甲的 3D 打印 RSC。

圖4 復(fù)合材料在智能跌倒檢測保護增強護膝中的應(yīng)用a) 護膝示意圖及圖片，以及護膝報警檢測測試；b) MATLAB元件塊分布以及智能護膝跌倒測試得到的輸出電壓的電壓波形；c) 智能護膝感應(yīng)不同程度跌倒（包括輕度跌倒、中度跌倒、重度跌倒）的電壓輸出波形和MATLAB壓電元塊分布數(shù)據(jù)采集。

論文信息

發(fā)布期刊 Nature Communications

發(fā)布時間 2023年10月14日

文章標(biāo)題 Growing Recyclable and Healable Piezoelectric Composites in 3D Printed Bioinspired Structure for Protective Wearable Sensor

（https://doi.org/10.1038/s41467-023-41740-6）