北航袁松梅教授在高粘度,、高固含量壓電陶瓷3D打印領(lǐng)域獲進(jìn)展

來源：北京航空航天大學(xué)

近日，北京航空航天大學(xué)機(jī)械學(xué)院袁松梅教授課題組聯(lián)合清華大學(xué),、北京科技大學(xué),、佛山（華南）新材料研究院在高粘度、高固含量壓電陶瓷3D打印領(lǐng)域取得了新進(jìn)展,。相關(guān)工作以“Piezoelectric-pneumatic micro-jet printing of high viscous piezoelectric slurry”為題,，于近期發(fā)表在《Additive Manufacturing》期刊上,。該研究獲國(guó)家自然基金（No.51775304）,、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金（No.2020A1515110220）等項(xiàng)目資助。機(jī)械學(xué)院博士生孫超超為文章第一作者,，機(jī)械學(xué)院袁松梅教授和清華大學(xué)材料學(xué)院褚祥誠(chéng)副研究員為共同通訊作者,，北京航空航天大學(xué)為該論文的第一完成單位,。

壓電陶瓷材料在驅(qū)動(dòng)和傳感領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用，其技術(shù)進(jìn)步推動(dòng)聲學(xué)器件研發(fā)和應(yīng)用的迅速發(fā)展,。隨著各領(lǐng)域?qū)�壓電器件需求的不斷深入和拓��,，�?duì)其結(jié)構(gòu)多樣性的要求越來越高，3D打印技術(shù)逐漸開始發(fā)揮重要作用,。3D打印壓電陶瓷具有制造工藝周期短,、成本低、可以獲得復(fù)雜形狀或微結(jié)構(gòu)等優(yōu)勢(shì),，越來越受到關(guān)注,。目前，增材制造技術(shù)在陶瓷領(lǐng)域的發(fā)展受限于從材料,、工藝,、設(shè)備到應(yīng)用端整體方案的解決能力，因此現(xiàn)有DLP,、SLA等增材制造方法對(duì)陶瓷漿料固含量,、粘度、粒度,、分散性等均提出較高要求,，局限了陶瓷增材制造技術(shù)的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。本研究主要針對(duì)上述難點(diǎn),，提出一種幾乎適應(yīng)所有電子陶瓷/結(jié)構(gòu)陶瓷/骨材料/生物材料等漿料類/墨水類材質(zhì)的非接觸,、高精度直寫3D打印工藝手段，在壓電材料打印方面取得有效驗(yàn)證,。

隨著陶瓷顆粒直徑的減小及固含量的增加,，陶瓷漿料的粘度會(huì)大幅度增加，進(jìn)而導(dǎo)致無法打印或打印性能差等一系列問題,。為解決這一問題,，研究團(tuán)隊(duì)提出了壓電-氣動(dòng)微噴3D打印技術(shù)，通過改善光固化陶瓷漿料,，優(yōu)化打印參數(shù)及燒結(jié)工藝,，最終基于0.2mm噴嘴實(shí)現(xiàn)了50vol%高固含量陶瓷漿料的打印�,；�于該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)從982mPs·s到383,135mPs·s寬粘度范圍的打�,。ü毯���28—50vol%），燒結(jié)致密度接近于同材質(zhì)干壓成型的樣品,，展現(xiàn)出非常優(yōu)越的打印性能及應(yīng)用便利性,，有助于科研人員開展與陶瓷增材制造配方、工藝等相關(guān)的研究工作。

PPMJ混合打印系統(tǒng)

不同燒結(jié)溫度,、不同固含量陶瓷漿料打印件的成型效果對(duì)比

該研究中,，團(tuán)隊(duì)對(duì)比了三種典型樹脂及四種常用分散劑的配方，通過比較每種漿料的流變特性,，獲得了每種分散劑針對(duì)不同樹脂的分散能力規(guī)律,；提出用電鏡觀測(cè)手段實(shí)現(xiàn)對(duì)分散劑最佳含量的直觀表征方法，確定了壓電陶瓷漿料配制過程中分散劑的最佳含量,，極大降低了陶瓷漿料粘度,。此外，研究中通過對(duì)比PPMJ打印樣件與傳統(tǒng)干壓樣品,，發(fā)現(xiàn)該打印技術(shù)所打印件的樣件性能與傳統(tǒng)干壓式相近,，表明PPMJ可以用于壓電陶瓷打印,；同時(shí)通過打印蜂窩狀結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料的制備,。以上工作表明，該技術(shù)可以廣泛應(yīng)用在壓電驅(qū)動(dòng)器和傳感器等領(lǐng)域,。


論文鏈接

https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2214860423000829