机械工程师开发三维印刷压电材料的工艺

Xiaoyu'Rayne'Zheng，工程学院机械工程助理教授，大分子创新研究所成员，他的团队开发了3D打印压电材料的方法，可以定制设计来转换运动，冲击和压力从任何方向到电能。

“压电材料将应变和应力转化为电荷，”郑解释道。

压电材料只有几种形状，由脆性晶体和陶瓷制成 - 这种材料需要一个洁净的空间来制造。郑的团队已经开发出一种3D打印这些材料的技术，因此它们不受形状或尺寸的限制。该材料还可以被激活 - 为触觉传感，冲击和振动监测，能量收集和其他应用提供下一代智能基础设施和智能材料。

释放设计压电的自由

压电材料最初是在19世纪发现的。从那时起，制造技术的进步导致了洁净室的需求和复杂的程序，该程序产生在加工后连接到电子器件的薄膜和块。昂贵的工艺和材料固有的脆性限制了最大化材料潜力的能力。

Zheng的团队开发了一种模型，允许他们操纵和设计任意压电常数，从而通过一组3D可打印拓扑结构，使材料响应来自任何方向的入射力和振动而产生电荷运动。与传统的压电材料不同，其中电荷运动由内在晶体规定，新方法允许用户规定和编程电压响应，以便在任何方向上放大，反转或抑制。

“我们开发了一种设计方法和印刷平台，可以自由设计压电材料的灵敏度和工作模式，”郑说。“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和传感器，这些传感器和传感器不仅灵活且强大，而且还通过电信号响应压力，振动和冲击。告诉这些材料在任何位置内撞击的位置，大小和方向。“

压电，传感器和传感器的3D打印

当前压电制造中的一个因素是使用的天然晶体。在原子水平上，原子的方向是固定的。郑的团队已经生产出一种模仿晶体的替代品，但允许通过设计改变晶格取向。

“我们已经合成了一类高灵敏度的压电墨水，可以用紫外光雕刻成复杂的三维特征。墨水含有高浓度的压电纳米晶体，与紫外线敏感的凝胶结合，形成溶液 - 像熔化的乳状混合物水晶 - 我们用高分辨率数字光3D打印机打印，“郑说。

该团队以一种测量人类头发直径分数的比例展示了3D打印材料。“我们可以定制架构，使它们更灵活，并使用它们，例如，作为能量收集设备，将它们包裹在任意曲率周围，”郑说。“我们可以让它们变厚，轻盈，坚硬或吸收能量。”

该材料的灵敏度比柔性压电聚合物高5倍。材料的刚度和形状可以调整和生产为类似纱布条的薄片，或者作为硬块。“我们有一个团队将它们变成可穿戴设备，比如戒指，鞋垫，并将它们安装到拳击手套中，我们将能够记录冲击力并监控用户的健康状况，”郑说。

“实现所需机械，电气和热性能的能力将大大减少开发实际材料所需的时间和精力，”宾夕法尼亚州立大学研究副研究员兼弗吉尼亚​​理工大学机械工程教授Shashank Priya说。

新的应用程序

该团队印刷并展示了包裹在曲面上的智能材料，佩戴在手和手指上以转换运动，并获得机械能，但应用远远超出可穿戴设备和消费电子产品。Zheng认为该技术是机器人技术，能量收集，触觉传感和智能基础设施的一次飞跃，其结构完全由压电材料制成，感应冲击，振动和运动，并允许对其进行监控和定位。该团队已经打印了一个小型智能桥，以展示其对于感应坠落冲击位置及其大小的适用性，同时足够强大以吸收冲击能量。该团队还展示了他们应用智能传感器，将水下振动信号转换为电压。

“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，”郑医生，郑博士说。和自然材料论文的第一作者。“在这里，结构本身就是传感器 - 它可以监控自己。”