高粘度壓電陶瓷漿料的壓電-氣動微噴射打印

供稿人：馬偉剛、連芩
供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室
來源：中國機械工程學會增材制造技術（3D打印）分會

壓電陶瓷材料為聲學、自供電傳感器、生物醫(yī)學設備和微電子等領域的現(xiàn)代工程應用提供了基本組件的基礎，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。由于3D打印技術能夠制造復雜的3D結構，為個性化電子設備提供了解決方案。然而，隨著陶瓷粉末尺寸的減小和固體含量的增加，由于陶瓷漿料的高粘度、長曝光時間和嚴重的散射，3D打印技術受到了限制。

針對以上問題，北京航空航天大學聯(lián)合清華大學、北京科技大學首次采用由壓電堆和氣動泵混合驅動的壓電-氣動微射流(PPMJ)系統(tǒng)，成功打印出BTO壓電陶瓷，PPMJ打印系統(tǒng)如圖1所示。以PPMJ打印為基礎，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%高固相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。

圖1 混合PPMJ系統(tǒng)結構設計及工作原理圖

為了說明PPMJ系統(tǒng)在大粘度范圍內的可打印性，在自配制樹脂的基礎上制備了不同固含量(28、40、46、50 vol %)的漿料。圖2(a)顯示了黏度隨剪切速率的變化趨勢，所有漿體都表現(xiàn)出剪切變稀的特征，且隨著固相含量的增加，料漿粘度明顯增大。不同料漿固化厚度隨暴露時間的變化趨勢如圖2(b)所示，隨著曝光時間的增加，固化厚度近似呈現(xiàn)對數(shù)增長趨勢。此外，固相含量的增加會降低料漿的固化能力，這是由于陶瓷顆粒的光散射效應，固含量越高，光散射現(xiàn)象越嚴重。對40vol%的蜂窩結構的素坯在不同溫度下(1250℃、1300℃、1350℃、1400℃)進行了燒結，如圖3(a)所示，隨著燒結溫度的升高，燒結試樣的顏色逐漸加深，并對不同固相含量(28vol%、40 vol%、46 vol%、50 vol%)的蜂窩結構素坯進行了燒結，如圖3(b)所示，隨著固相含量的增加，燒結件的輪廓更加清晰。

圖2 不同固含量漿料的固化及流變性能

圖3 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

該研究所制備出的BTO陶瓷具有優(yōu)異的介電性能(εr = 572.7±1.1,tanδ = 0.0362±0.0001)和壓電性能(d33 = 133±1.3)，致密度高達95±0.4%，這表明PPMJ是一種很有前途的3D打印技術，能夠制造出高固相含量和復雜結構的壓電材料，用于功能陶瓷部件的應用。

參考文獻：
SUN C C, CHEN J Q, YAN S H, et al. Piezoelectric-pneumatic micro-jet printing of high viscous piezoelectric slurry [J]. Addit Manuf, 2023, 66.