弗吉尼亚理工大学开发出3D打印压电材料的工艺

压电材料在受到机械压力时会产生电流，从我们的手机到音乐贺卡，任何东西都可以找到这种材料。然而，它们也有其局限性。武汉男人网

制造压电材料通常是一个昂贵的过程。它需要清洁室和一个复杂的程序，生产薄膜和块，加工后连接到电子设备。此外，这些非常有用的材料是由脆性晶体和陶瓷制成的，只有几种形状可供选择。现在，弗吉尼亚理工大学的科学家宣称，这种压电材料将能够以不受形状和尺寸限制的方式进行3D打印。


3D打印压电智能材料柔性片

郑晓宇，工程学院机械工程助理教授，大分子创新研究院成员，和他的团队已经开发出3D打印压电材料的方法，这种材料可以定制设计，将运动、冲击和应力从任何方向转化为电能。

他们开发了一个模型，该模型允许他们操纵和设计任意压电常数，通过一组3D打印拓扑结构，使材料产生电荷运动，以响应来自任何方向的外力和振动。这项新技术还能让用户对电压响应进行编程，使其在任何方向上都能被放大、抑制或反转。

郑说:“我们开发了一种设计方法和打印平台，可以自由设计压电材料的灵敏度和操作模式。”

“通过编程3D有源拓扑，您可以在材料中实现几乎任何压电系数的组合，并将它们用作传感器，这些传感器不仅灵活、强大，而且还通过电信号响应压力、振动和冲击，在这些材料的任何位置显示出撞击的位置，大小和方向。“


3D打印的压电材料柔性片

在电流压电制造的一个因素是使用天然晶体。在原子水平上，原子的方向是固定的。郑的团队已经制造出一种替代品，它可以模拟晶体，但允许晶格方向的改变。

“我们合成了一种高度敏感的压电油墨，可以用紫外线雕刻成复杂的三维特征。这些墨水含有高度浓缩的压电纳米晶体，与紫外线敏感的凝胶结合在一起，形成一种溶液——像融化的晶体一样的乳状混合物——我们用高分辨率的数字光3D打印机打印，”郑说。

研究小组展示了一种3D打印的压电材料，其尺寸相当于人类头发直径的几分之一。郑说：“我们可以对架构进行调整，使其更加灵活，例如，作为能量收集设备，将其包裹在任意曲率的周围。”“我们可以让它们变厚、变轻、变硬或吸收能量。”

这种材料的灵敏度是柔性压电聚合物的五倍。这种材料的硬度和形状可以调整，制成类似于薄纱布的薄板，或者做成硬块。

郑说：“我们有一个团队把它们做成可穿戴设备，比如戒指、鞋垫，然后把它们装进拳击手套里，这样我们就可以记录冲击力，监测使用者的健康状况。”

研究人员认为，利用3D打印技术创造的材料有潜力用于机器人技术、能量收集、触觉传感和智能基础设施，在这些基础设施中，一个结构完全由压电材料制成，感知冲击，以及冲击和振动监测。


3D打印柔性能量收集器

“传统上，如果你想监控一个结构的内部强度，你需要在整个结构上放置许多单独的传感器，每个传感器都有许多引线和连接器，”郑说。 “在这里，结构本身就是传感器 - 它可以监控自己。”

这项研究的细节发表在《自然材料》杂志上。