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

更新時(shí)間：2022-08-02

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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(lái)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(guò)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(lái)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(guò)溶膠-凝膠犧牲模板法制備出了無(wú)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(shù)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(guò)最小微單元晶格調(diào)控實(shí)現(xiàn)定制化打印。隨后通過(guò)模板法制備無(wú)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(guò)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(guò)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(wú)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(wú)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(kāi)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。

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(shù)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