3D打印超材料骨架的无铅压电复合材料用于机电能量转换

来源： 摩方科技PuSL


超材料是指一类具有天然材料所不具备的超常物理特性的人造复合结构。其优异性能来自人工结构，而不是材料本身。超材料突破了传统的设计原则，通过物理尺度上的有序结构设计获得了优异的性能。超材料的优异性能引起了各个领域的关注，促使其在广泛应用于隐形斗篷、零折射率材料、等离子传感器、能量收集器等领域。

近期，来自南方科技大学的汪宏教授团队以超材料为模板设计了一种陶瓷-聚合物复合材料。该团队首先利用高精度3D打印实现了超材料模板，再通过溶胶-凝胶牺牲模板法制备出了无铅压电陶瓷骨架，将聚二甲基硅氧烷（PDMS）浇筑在陶瓷骨架上形成了一种独特的三维互连的压电陶瓷-聚合物复合材料。这种压电超材料具有高机电响应和力学灵活性。这种三维互连结构的复合材料在人体运动监测、人造肌肉和皮肤中作为传感和自发电器件具有潜在的应用。相关成果以“Lead-free piezoelectric composite based on a metamaterial for electromechanical energy conversion”为题发表在《Advanced Materials Technologies》期刊上。

该研究使用面投影微立体光刻技术(nanoArch S140，摩方精密) 打印树脂结构，并以该结构作为超材料模板。超材料模板尺寸：40 mm×40 mm×10 mm，打印层厚设置为10 μm，并通过最小微单元晶格调控实现定制化打印。随后通过模板法制备无铅压电陶瓷骨架：为了使模板表面附着更多的钛酸钡溶胶，该团队设计通过表面处理法使模板表面吸附一层厚厚的聚多巴胺层，之后将附着聚多巴胺的超材料浸泡在钛酸钡溶胶中一段时间再取出，最后经过风干—熟化—煅烧的处理获得最终的陶瓷骨架。

用聚二氧机硅氧烷封装无铅压电陶瓷骨架，得到了一种具有超材料结构的压电复合材料。钛酸钡超材料-PDMS复合材料拥有良好的力学特性，在相同钛酸钡体积下其压电极化程度也比无序混乱分布的钛酸钡-PDMS复合材料高许多。钛酸钡超材料-PDMS复合材料具有高灵敏度，可以应用于不同的传感器，如运动计步、重量感应和心跳监测等。我们相信，这项研究将为开发用于能量采集器、传感器和人造皮肤等机电设备的高性能柔性材料提供了一种新策略。

论文链接：https://doi.org/10.1002/admt.202200650

△图1 面投影微立体光刻技术示意图


△图2 面投影微立体光刻技术打印树脂结构作为超材料模板


△图3 面投影微立体光刻技术打印的超材料表面附着聚多巴胺层的制备


△图4 溶胶—凝胶法制备超材料骨架及PDMS封装制备压电复合材料


△图5 钛酸钡超材料-PDMS复合材料的压电性能测试


△图6 钛酸钡超材料-PDMS复合材料应用于可穿戴装置


△图7 钛酸钡超材料-PDMS复合材料应用于能量收集