光固化3D打印具有大壓電響應的高精度復雜結(jié)構(gòu)Sm-PMN-PT陶瓷

來源：中國機械工程學會增材制造技術（3D打印）分會
供稿人：馬偉剛、連芩 供稿單位：西安交通大學精密微納制造技術全國重點實驗室

Sm0.025Pb0.9625[(Mg1/3Nb2/3)0.71Ti0.29]O3 (Sm-PMN-PT)陶瓷具有優(yōu)異的壓電性能，在電子器件中具有很大的應用潛力。然而，傳統(tǒng)制備方法難以制備出結(jié)構(gòu)復雜的Sm-PMN-PT陶瓷，限制了該陶瓷的應用。西安佳通大學機械工程學院連芩教授課題組通過還原光聚合技術(vat photopolymerization，VPP)制造出了具有高壓電性能及高精度復雜結(jié)構(gòu)的Sm-PMN-PT陶瓷，為Sm-PMN-PT陶瓷的制造提供了新的方法，拓展了該陶瓷的應用領域。

Sm-PMN-PT陶瓷顆粒具有高折射率，當紫外光照射Sm-PMN-PT漿料時，紫外光光束會被陶瓷顆粒的散射效應所衰減，這將導致漿料固化深度低，素坯成形困難，基于此，研究人員首先通過選擇高折射率光敏樹脂作為漿料液相以及優(yōu)化粉體粒徑，獲得了可用于VPP技術的Sm-PMN-PT陶瓷漿料。當曝光功率密度為37.5mW/cm2，曝光時間為8s時，漿料的固化深度為41μm，當剪切速率為100s-1時，漿料的粘度值為0.46Pa·s，且具有剪切變稀性。

圖1 Gyroid、Schwarz_P、Schwarz_D結(jié)構(gòu)的3D模型，素坯，熱解以及燒結(jié)件

利用VPP技術成形出了表面質(zhì)量高，層間結(jié)合充分，成形精度高的Sm-PMN-PT陶瓷素坯，測量了陶瓷素坯的成形精度，最大尺寸誤差為239.8±29.7μm。根據(jù)熱重分析的結(jié)果確定了熱解曲線。優(yōu)化了燒結(jié)溫度，確定最終燒結(jié)溫度為1220℃。燒結(jié)后的Sm-PMN-PT陶瓷的相對密度為98%，相對介電常數(shù)εr、介電損耗tanδ和壓電系數(shù)d33分別為6452、0.0434和1230 pC/N。

圖2 3-3型壓電復合材料及其能量收集測試

制造出了具有Gyroid、Schwarz_P、Schwarz_D結(jié)構(gòu)的陶瓷件，素坯件、熱解件與燒結(jié)件的孔隙清晰可見，無翹曲，裂紋等缺陷，如圖1所示。進而灌注樹脂形成了具有Gyroid、Schwarz_P、Schwarz_D陶瓷結(jié)構(gòu)3-3型壓電復合材料，在周期性載荷驅(qū)動下其輸出電壓可達80 mV，如圖2所示，顯示出較好的能量收集性能。

參考文獻：
Ma WG, Zheng K, Quan Y, et al. High-precision complex structured Sm-PMN-PT ceramics with large piezoelectric response manufactured by vat photopolymerization [J]. Additive Manufacturing, 2024, 84: 104116.