北航袁松梅教授在高粘度、高固含量壓電陶瓷3D打印領域獲進展

來源：北京航空航天大學

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

壓電陶瓷材料在驅動和傳感領域具有廣泛應用，其技術進步推動聲學器件研發(fā)和應用的迅速發(fā)展。隨著各領域對壓電器件需求的不斷深入和拓展，對其結構多樣性的要求越來越高，3D打印技術逐漸開始發(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、可以獲得復雜形狀或微結構等優(yōu)勢，越來越受到關注。目前，增材制造技術在陶瓷領域的發(fā)展受限于從材料、工藝、設備到應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的產業(yè)應用。本研究主要針對上述難點，提出一種幾乎適應所有電子陶瓷/結構陶瓷/骨材料/生物材料等漿料類/墨水類材質的非接觸、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，陶瓷漿料的粘度會大幅度增加，進而導致無法打印或打印性能差等一系列問題。為解決這一問題，研究團隊提出了壓電-氣動微噴3D打印技術，通過改善光固化陶瓷漿料，優(yōu)化打印參數(shù)及燒結工藝，最終基于0.2mm噴嘴實現(xiàn)了50vol%高固含量陶瓷漿料的打印。基于該技術可以實現(xiàn)從982mPs·s到383,135mPs·s寬粘度范圍的打印（固含量28—50vol%），燒結致密度接近于同材質干壓成型的樣品，展現(xiàn)出非常優(yōu)越的打印性能及應用便利性，有助于科研人員開展與陶瓷增材制造配方、工藝等相關的研究工作。

PPMJ混合打印系統(tǒng)

不同燒結溫度、不同固含量陶瓷漿料打印件的成型效果對比

該研究中，團隊對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不同樹脂的分散能力規(guī)律；提出用電鏡觀測手段實現(xiàn)對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，研究中通過對比PPMJ打印樣件與傳統(tǒng)干壓樣品，發(fā)現(xiàn)該打印技術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；同時通過打印蜂窩狀結構實現(xiàn)了復合材料的制備。以上工作表明，該技術可以廣泛應用在壓電驅動器和傳感器等領域。


論文鏈接

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