3D打印制备不同方向压力的定向响应的压电材料

作者：连伟波 鲁中良

压电材料是受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料。压电材料的应用领域可以粗略分为两大类：即振动能和超声振动能-电能换能器应用，包括电声换能器，水声换能器和超声换能器等，以及其它传感器和驱动器应用。然而，块状压电陶瓷以及压电聚合物复合材料的压电常数与其结构合组成密切相关。尽管化学修饰，例如掺杂可以在某些方向上改变材料的压电常数，这种方式在改变其他物理性质（柔性或敏感度）方面仍然具有很大的局限性。

弗吉尼亚理工大学工程学院郑小雨等提出了一种利用3D打印的方式实现一种新型压电材料制造，并且采用这种方法制备了具有高压电特性的材料，实现对不同方向压力的定向响应。

图1 利用光活性单体对PZT表面功能化以及3D打印复杂形状的功能材料

这种压电材料的制造方法为：首先采用功能化剂（三甲氧基甲基丙烯酸丙酯）共价接到PZT颗粒上合成表面功能化的压电纳米粒子，表面通过硅氧烷键在表面留下自由的甲基丙烯酸酯（如图a）；通过提高表面功能化水平，提高复合颗粒材料的压电相应水平，使之达到最大（如图b）；最后通过3D打印系统实现纳米颗粒的粘接成形（如图c），得到压电材料块体，其显微结构如图d所示。

图2 力方向感知测试。

通过利用改新型材料不同结构有不同压力静电相应的特性，设计如图2b所示的结构，并对不同方向进行压力测试，可以实现三个方向的不同的压电相应压电材料的制备。

这种通过3D打印来实现各向异性和定向效应的高响应性压电材料。这项工作是朝着设计3D传感器材料方向迈出的一步，通过这种材料，用户可以为目标应用设计，放大和抑制等的操作模式。这种新型结构与功能的压电材料突破了传统传感器整列部署的模式，通过3D打印制造方式为未来智能材料设计提供了一种思路。

参考文献
Three-dimensional printing of piezoelectric materials with designed anisotropy and directional response. Huachen Cui, Ryan Hensleigh, Desheng Yao, Deepam Maurya ，et.  Nature Mater, （2019）

供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室