Nature Mater:三維列印方法製備具有可設計各向異性和方向響應的壓電材料

2021-02-25 材料人

壓電材料是一種可以實現電能與機械能之間相互轉換的材料，在壓力探測，超聲波探測以及能量轉換上有著廣闊的應用前景。然而，塊狀壓電陶瓷以及壓電聚合物複合材料的壓電常數與其結構合組成密切相關。儘管化學修飾，例如摻雜可以在某些方向上改變材料的壓電常數，這種方式在改變其他物理性質（柔性或敏感度）方面仍然具有很大的局限性。

維吉尼亞理工大學工程學院機械工程助理教授、大分子創新研究院成員Xiaoyu (Rayne) Zheng (鄭小雨)教授報導了一種利用3D列印的方式實現壓電材料進行定向設計的方法，並且採用這種方法製備了具有高壓電特性的材料，實現對不同方向壓力的定向響應。

圖1 對壓電材料壓電常數的設計a-g 分別為3，4，5，8個單元結構的三維圖和投影圖，a-h分別對應著壓力從1，2，3個方向上加載。 i 利用3D的節點實現壓電各向異性的設計。

圖2 利用光活性單體對PZT表面功能化以及3D列印複雜形狀的功能材料（a）表面功能化示意圖以及紫外固化後PZT陶瓷納米顆粒與聚合物基質間的強鍵。（b）表面功能化水平與壓電響應之間的關係示意圖。（c）製造系統示意圖。（d）3D列印製備的壓電微結構掃描電鏡圖片。

圖3 3D壓電性能測試 a-c.為N=5節點的壓電超材料光學照片以及其在1，2，3個方向上面的實時電壓信號輸出。d. 針對電壓輸出的實驗數據及有限元分析。e. 與其他研究中性質的對比。f. 落錘衝擊試驗。g. 對於不同重物的響應電壓輸出。h. 衝擊壓力與傳輸壓力對於質量的比值曲線。

圖4. 利用製備的超材料塊體作為智能基礎建築材料。a,b 利用3D列印的材料作為自感知橋梁的光學照片。c,d 其對於下落鋼球的電壓輸出。e,f 由電壓幅度圖得到的應變幅度圖。

圖5 力方向感知測試。a 利用壓電超材料製備的力方向感知器件示意圖。b 製備的壓電堆疊式結構。c d 陣列的電壓輸出。

本文利用3D列印的方式製備了具有高響應特性的壓電材料，這種製備方法也可以擴展到PZT以及BTO材料，可以被用作製備各種智能傳感器和結構材料。

文獻連結：「Three-dimensional printing of piezoelectric materials with designed anisotropy and directional response」( Nature Mater, DOI: 10.1038/s41563-018-0268-1)

本文由材料人編輯部學術組gyzdxhzy編譯供稿，材料牛整理編輯。

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