3D打印在壓電材料方面的應用

1880年，法國物理學家居里兄弟發現，把重物發在石英晶體上，晶體某些表面會產生電荷，電荷量與壓力成比例。利用壓電材料的這些特性可以實現機械振動（聲波）和交流電的相互轉換。打火機的點火裝置，就是利用此原理進行打火。后來壓電材料廣泛應用于各種傳感器（如圖1）中，例如換能器、傳感器、驅動器、聲納、手機和機器人等方面。

圖1  壓電陶瓷傳感器

壓電效應的產生是晶胞中正負離子在外界條件作用下出現相對位移，使得正負電荷的中心不再重合，導致晶體發生宏觀極化。壓電電荷的流動方向取決并且遵循其陶瓷和晶體材料的晶格排列，因此壓電陶瓷和壓電聚合物復合材料的壓電常數與其結構組成有著密切的相關性。美國弗吉尼亞理工大學的鄭小雨（Rayne Zheng）教授及其實驗室的博士團隊使用3D打印的方式實現了新型壓電材料的制造，并且采用這種方法制備了具有高壓電特性的材料，實現電壓在任意方向可被放大、縮小和反向的特征。

圖2 高靈敏度壓電材料的合成以及3D打印制造

圖3  壓電材料3D打印制造（弗吉尼亞理工大學）

 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脂）共價接到PZT（鋯鈦酸鉛壓電陶瓷）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2-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2-b）;最后通過面投影3D打印方式實現納米顆粒的粘接成型（如圖2-c和圖3）,最終得到需求的壓電材料結構，其顯微鏡結構（如圖2-d）。

基于此項技術，壓電新型材料在很多領域得到應用

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多功能柔性可穿戴智能材料

通過電壓激活后能夠設計和制造出一系列新型智能材料。該三維材料具有任意形狀，任意內部結構復雜度，并且每一個節點、單元和材料本身任意部位均具有壓電感應功能，無需任何附加傳感器即可實現電壓輸出。根據該材料的特性，開發出了柔性壓電材料（如圖4），為將來可穿戴柔性器件開發做好基礎準備。

圖4  打印的柔性材料薄片（弗吉尼亞理工大學）

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自感應吸能材料及護甲

由于這種智能材料各個部位均具有壓電感應，其打印支撐的三維結構將無需任何附加傳感器，并探測出任意位置的壓力或者震動。現有傳感技術和結構損傷檢測當中，需要在各個位置上布滿大量的壓電傳感器，并且對于復雜結構，需要通過復雜算法優化計算，最終來確定傳感器陣列的布置。然而，這種自感應三維材料，則可以通過任意位置的壓電結構材料，首.次解決了這項難題，并且通過智能橋梁結構得到驗證（圖5）。

圖5 智能橋梁檢測實驗

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矢量傳感領域

通過人工晶格設計制成的壓電超材料，可以很靈巧的實現矢量探測傳感功能，通過利用改型材料不同結構有不同壓力靜電相應的特性，設計如圖(6-b)所示的結構，并對不同方向進行壓力測試，可以實現三個方向的不同壓電系數的壓電材料制備。

圖6  力方向感知測試

國內西安交通大學陳小明教授也在應用3D打印技術研究壓電材料，其將壓電聚合物或陶瓷與光敏樹脂混合制備成復合材料，然后將復合材料利用深圳摩方（BMF）的3D打印設備S140進行打印成型，從而制成相應的壓電器件。除此之外，利用3D打印技術可以制備具有多種微結構的器件（圖7），相比于傳統的微納加工工藝具有成型快，成本低，可定制化等優點。打印的微結構復合壓電器件相比于平模，極大的提高了壓電輸出，器件性能成倍增加。

圖7  3D打印的多種微結構壓電器件圖

BMF的S140（圖8）設備打印光學精度達到10um，打印層厚10~40um，打印幅面最大能夠達到94mm(L)*52mm(W)*45mm(H)，而且其支持多種樹脂材料打印，例如韌性樹脂、耐高溫樹脂、生物醫用樹脂、柔性樹脂等等，能夠最大限度的滿足不同客戶的科研需求。

圖8   S140設備簡圖

通過3D打印來實現各向異性和定向效應的高響應性壓電材料，有效促進了3D傳感器材料方向的發展。通過這種材料，用戶可以為目標應用進行設計、放大和抑制等操作模式。這種新型結構與功能的壓電材料突破了傳統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計提供了一種思路。