Nature Mater：三维打印方法制备具有可设计各向异性和方向响应的压电材料

【引言】

压电材料是一种可以实现电能与机械能之间相互转换的材料，在压力探测，超声波探测以及能量转换上有着广阔的应用前景。然而，块状压电陶瓷以及压电聚合物复合材料的压电常数与其结构合组成密切相关。尽管化学修饰，例如掺杂可以在某些方向上改变材料的压电常数，这种方式在改变其他物理性质（柔性或敏感度）方面仍然具有很大的局限性。

【成果简介】

弗吉尼亚理工大学工程学院机械工程助理教授、大分子创新研究院成员Xiaoyu (Rayne) Zheng (郑小雨)教授报道了一种利用3D打印的方式实现压电材料进行定向设计的方法，并且采用这种方法制备了具有高压电特性的材料，实现对不同方向压力的定向响应。

【图文导读】

图1 对压电材料压电常数的设计a-g 分别为3，4，5，8个单元结构的三维图和投影图，a-h分别对应着压力从1，2，3个方向上加载。 i 利用3D的节点实现压电各向异性的设计。

图2 利用光活性单体对PZT表面功能化以及3D打印复杂形状的功能材料（a）表面功能化示意图以及紫外固化后PZT陶瓷纳米颗粒与聚合物基质间的强键。（b）表面功能化水平与压电响应之间的关系示意图。（c）制造系统示意图。（d）3D打印制备的压电微结构扫描电镜图片。

图3 3D压电性能测试 a-c.为N=5节点的压电超材料光学照片以及其在1，2，3个方向上面的实时电压信号输出。d. 针对电压输出的实验数据及有限元分析。e. 与其他研究中性质的对比。f. 落锤冲击试验。g. 对于不同重物的响应电压输出。h. 冲击压力与传输压力对于质量的比值曲线。

图4. 利用制备的超材料块体作为智能基础建筑材料。a,b 利用3D打印的材料作为自感知桥梁的光学照片。c,d 其对于下落钢球的电压输出。e,f 由电压幅度图得到的应变幅度图。

图5 力方向感知测试。a 利用压电超材料制备的力方向感知器件示意图。b 制备的压电堆叠式结构。c d 阵列的电压输出。

【小结】

本文利用3D打印的方式制备了具有高响应特性的压电材料，这种制备方法也可以扩展到PZT以及BTO材料，可以被用作制备各种智能传感器和结构材料。

文献链接：

“Three-dimensional printing of piezoelectric materials with designed anisotropy and directional response”( Nature Mater, DOI: 10.1038/s41563-018-0268-1)

本文由材料人编辑部学术组gyzdxhzy编译供稿，材料牛整理编辑。