3D打印超材料骨架的無鉛壓電復(fù)合材料用于機(jī)電能量轉(zhuǎn)換

來源： 摩方科技PuSL


超材料是指一類具有天然材料所不具備的超常物理特性的人造復(fù)合結(jié)構(gòu),。其優(yōu)異性能來自人工結(jié)構(gòu),，而不是材料本身。超材料突破了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則,，通過物理尺度上的有序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)獲得了優(yōu)異的性能,。超材料的優(yōu)異性能引起了各個(gè)領(lǐng)域的關(guān)注，促使其在廣泛應(yīng)用于隱形斗篷,、零折射率材料,、等離子傳感器、能量收集器等領(lǐng)域,。

近期,，來自南方科技大學(xué)的汪宏教授團(tuán)隊(duì)以超材料為模板設(shè)計(jì)了一種陶瓷-聚合物復(fù)合材料。該團(tuán)隊(duì)首先利用高精度3D打印實(shí)現(xiàn)了超材料模板,，再通過溶膠-凝膠犧牲模板法制備出了無鉛壓電陶瓷骨架,，將聚二甲基硅氧烷（PDMS）澆筑在陶瓷骨架上形成了一種獨(dú)特的三維互連的壓電陶瓷-聚合物復(fù)合材料。這種壓電超材料具有高機(jī)電響應(yīng)和力學(xué)靈活性,。這種三維互連結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料在人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè),、人造肌肉和皮膚中作為傳感和自發(fā)電器件具有潛在的應(yīng)用。相關(guān)成果以“Lead-free piezoelectric composite based on a metamaterial for electromechanical energy conversion”為題發(fā)表在《Advanced Materials Technologies》期刊上,。

該研究使用面投影微立體光刻技術(shù)(nanoArch S140,，摩方精密) 打印樹脂結(jié)構(gòu)，并以該結(jié)構(gòu)作為超材料模板,。超材料模板尺寸：40 mm×40 mm×10 mm,，打印層厚設(shè)置為10 μm，并通過最小微單元晶格調(diào)控實(shí)現(xiàn)定制化打印,。隨后通過模板法制備無鉛壓電陶瓷骨架：為了使模板表面附著更多的鈦酸鋇溶膠,，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)通過表面處理法使模板表面吸附一層厚厚的聚多巴胺層，之后將附著聚多巴胺的超材料浸泡在鈦酸鋇溶膠中一段時(shí)間再取出,，最后經(jīng)過風(fēng)干—熟化—煅燒的處理獲得最終的陶瓷骨架,。

用聚二氧機(jī)硅氧烷封裝無鉛壓電陶瓷骨架，得到了一種具有超材料結(jié)構(gòu)的壓電復(fù)合材料,。鈦酸鋇超材料-PDMS復(fù)合材料擁有良好的力學(xué)特性,，在相同鈦酸鋇體積下其壓電極化程度也比無序混亂分布的鈦酸鋇-PDMS復(fù)合材料高許多。鈦酸鋇超材料-PDMS復(fù)合材料具有高靈敏度，可以應(yīng)用于不同的傳感器,，如運(yùn)動(dòng)計(jì)步,、重量感應(yīng)和心跳監(jiān)測(cè)等。我們相信,，這項(xiàng)研究將為開發(fā)用于能量采集器,、傳感器和人造皮膚等機(jī)電設(shè)備的高性能柔性材料提供了一種新策略。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/admt.202200650

△圖1 面投影微立體光刻技術(shù)示意圖


△圖2 面投影微立體光刻技術(shù)打印樹脂結(jié)構(gòu)作為超材料模板


△圖3 面投影微立體光刻技術(shù)打印的超材料表面附著聚多巴胺層的制備


△圖4 溶膠—凝膠法制備超材料骨架及PDMS封裝制備壓電復(fù)合材料


△圖5 鈦酸鋇超材料-PDMS復(fù)合材料的壓電性能測(cè)試


△圖6 鈦酸鋇超材料-PDMS復(fù)合材料應(yīng)用于可穿戴裝置


△圖7 鈦酸鋇超材料-PDMS復(fù)合材料應(yīng)用于能量收集