基于3D打印提升壓電和仿生機(jī)械性能的塊狀鐵電材料制造

供稿人：韓宇、魯中良供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

三維鐵電材料是實(shí)現(xiàn)人機(jī)接口,、能源可持續(xù)性和增強(qiáng)治療的機(jī)電構(gòu)件,。然而,，目前的天然或合成材料均不能同時(shí)提供高壓電響應(yīng)和所需的機(jī)械韌性，以滿足實(shí)用條件,。近來(lái)，美國(guó)威斯康星大學(xué)研究人員Jun Li[1]等人通過(guò)熔融沉積成形技術(shù)（FDM）,，創(chuàng)造了一種具有陶瓷壓電特性和類(lèi)人骨斷裂韌性的層狀鐵電超材料塊體,，相比現(xiàn)有其他材料，其縱向壓電荷系數(shù)顯著增強(qiáng),，抗裂性比傳統(tǒng)壓電陶瓷高3倍以上,，在智能生物系統(tǒng)應(yīng)用中顯示出了極大的潛力。

該團(tuán)隊(duì)在層狀鐵電超材料塊體的設(shè)計(jì)中采用了片式多層陶瓷電容器（MLCC）結(jié)構(gòu),，交替堆疊的軟鐵電層和硬電極層通過(guò)FDM以原位極化功能直接批量打印,。其中，軟電極層使用的是高導(dǎo)電性炭黑填料(CB)和聚乳酸（PLA）混合物,，硬電極層由無(wú)鉛Li-KNN,、含鉛鐵電陶瓷、聚偏氟乙烯-共六氟丙烯(PVDF-HFP)組成,。

圖1描述了實(shí)現(xiàn)所述MLCC結(jié)構(gòu)的操作和基本測(cè)試：圖1 (a)顯示了通過(guò)反復(fù)構(gòu)建軟鐵電層和硬導(dǎo)電層的打印過(guò)程,。其中，打印期間,，在噴嘴和導(dǎo)電層之間施加一個(gè)電場(chǎng)；左下角的插圖是鐵電復(fù)合材料（上圖）和導(dǎo)電復(fù)合材料（下圖）的掃描電子顯微鏡(SEM)圖,；中下部的插圖是打印前后的偶極子對(duì)準(zhǔn)的原理圖,；右側(cè)插圖是Li-KNNMPs和PLA之間的結(jié)合界面示意圖。圖1 (b)通過(guò)有限元分析模擬了噴嘴和MLCC結(jié)構(gòu)之間的電位分布,。圖1 (c)利用長(zhǎng)波紅外成像拍攝了打印過(guò)程中鐵電結(jié)構(gòu)周?chē)臏囟确植�,。圖1 (d)是SEM側(cè)視角度的鐵電超材料層狀異質(zhì)結(jié)構(gòu)。圖1 (e)是結(jié)構(gòu)中Nb元素（上圖）和F元素（下圖）的能量色散X射線光譜圖(EDS),。

圖1 3 D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)層狀鐵電超材料塊體

圖2給出了利用圖1所示的打印技術(shù)制造的人骨結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)性能測(cè)試：圖2(a)是內(nèi)埋壓電近端的指骨響應(yīng)人體運(yùn)動(dòng)的示意圖,。圖2 (b)展示了當(dāng)沿垂直和水平方向受到微小沖擊力時(shí)，沿指骨長(zhǎng)（上圖）,、短（下圖）軸打印的人工骨的各向異性壓電響應(yīng),。圖2 (c)是指骨結(jié)構(gòu)的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線，其中圖(i)對(duì)比了利用PLA/CB（紅色）,、鐵電超材料（藍(lán)色）,，PVDF-HFP/Li-KNN（黑色）打印的結(jié)構(gòu)特性曲線，圖(ii)對(duì)比了在相同鐵電,、電極層數(shù)條件下,，3d打印鐵電超材料在孔隙率從0%到75%變化時(shí)的結(jié)構(gòu)特性曲線。圖2 (d)通過(guò)調(diào)整成分和孔隙率,，確定了所制造指骨的壓縮模量范圍,。圖2 (e)為該團(tuán)隊(duì)研發(fā)的人工指骨與其他材料制作人工骨的斷裂韌性對(duì)比圖,，結(jié)果表明鐵電超材料MLCC結(jié)構(gòu)性能優(yōu)于其他一系列天然或合成壓電材料類(lèi)似制品性能。

圖2 3d打印的壓電式人工骨骼及性能測(cè)試

需要注意的是,，F(xiàn)DM技術(shù)的常見(jiàn)缺陷如斑點(diǎn)和孔隙等,，在Jun Li團(tuán)隊(duì)的研究仍然存在。但總體而言,，該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的這種具有特殊壓電性和斷裂韌性的層狀鐵電超材料塊體,，為未來(lái)建立具有各向異性壓電性、高韌性和可調(diào)模量的全尺寸壓電骨樣結(jié)構(gòu)提供了研究參考,。
參考文獻(xiàn)：

李杰,，楊F，龍Y,，等,。來(lái)自增材制造的具有增強(qiáng)壓電和仿生機(jī)械性能的塊體鐵電超材料[J]. ACS 納米, 2021, 15(9):14903-14914。