北京航空航天大學(xué)：壓電-氣動微噴3D打印（PPMJ）技術(shù)，應(yīng)用于高粘度壓電陶瓷打印

導(dǎo)讀：3D打印壓電陶瓷由于制造工藝周期短、成本低、可以制造復(fù)雜形狀或微結(jié)構(gòu)等優(yōu)勢，受到眾多領(lǐng)域的關(guān)注。盡管經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，高固含量的陶瓷3D打印始終受限于打印技術(shù)的發(fā)展，高粘度高固含量壓電陶瓷材料增材制造的研究也一直是壓電陶瓷3D打印研究的核心內(nèi)容和重要前沿，也是難度最大、最具挑戰(zhàn)性的課題之一。

南極熊獲悉，2023年3月，為解決高粘度高固含量壓電陶瓷打印問題，北京航空航天大學(xué)機(jī)械學(xué)院課題組聯(lián)合清華材料學(xué)院及派和科技、君璟科技有限公司提出了一種壓電-氣動混合3D打印方法（PPMJ），基于100nm鈦酸鋇陶瓷粉末可以實(shí)現(xiàn)50vol%陶瓷漿料打印（其粘度高達(dá)383,135mPa·s），該研究題目為“Piezoelectric-pneumatic micro-jet printing of high viscous piezoelectric slurry”的論文發(fā)表在《Additive Manufacturing》期刊上。

相關(guān)論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2214860423000829

壓電陶瓷材料為聲學(xué)、自供電傳感器、生物醫(yī)學(xué)設(shè)備和微電子領(lǐng)域的現(xiàn)代工程應(yīng)用發(fā)展提供了基礎(chǔ)。隨著電子技術(shù)的革命和快速發(fā)展，由功能性壓電材料組成的應(yīng)用器件需要結(jié)構(gòu)的多樣性，使得3D打印壓電陶瓷也在各個領(lǐng)域中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

隨著陶瓷顆粒直徑的減小及固含量的增加，陶瓷漿料的粘度會大幅度增加，進(jìn)而導(dǎo)致無法打印或打印性能差等一系列問題。北京航空航天大學(xué)機(jī)械系孫超超博士依托于清華大學(xué)材料學(xué)院及派和科技、君璟科技有限公司提出了壓電-氣動微噴3D打印技術(shù)，通過改善光固化陶瓷漿料，優(yōu)化打印參數(shù)及燒結(jié)工藝，最終基于0.2mm亞毫米級噴嘴實(shí)現(xiàn)了50vol%高固含量陶瓷漿料的打印�；�于該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)寬粘度范圍的打印982–383,135mPs·s（固含量28—50vol%）。

△圖1 PPMJ混合打印系統(tǒng)

該研究中，作者對比了三種典型樹脂及四種常用分散劑的配方，通過比較每種漿料的流變特性，表明了每種分散劑針對不同樹脂的分散能力。此外，通過電鏡觀測手段實(shí)現(xiàn)了對分散劑最佳含量的直觀表征，為陶瓷漿料配方過程中分散劑最佳含量的確定奠定了基礎(chǔ)。

△圖2 分散劑種類對不同樹脂基陶瓷漿料流變特性的的影響

△圖3 分散劑含量對漿料流變性的影響

△圖4 燒結(jié)樣件的光學(xué)圖像

此外，研究中通過對比PPMJ打印樣件與傳統(tǒng)干壓樣品發(fā)現(xiàn)該打印技術(shù)所打印件的樣件性能與傳統(tǒng)干壓式相近，表明PPMJ可以用于低能量損失的壓電陶瓷打印。且實(shí)驗通過打印蜂窩狀結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料的制備，所制備的壓電-樹脂復(fù)合材料具有較低的介電系數(shù)，該技術(shù)可以廣泛應(yīng)用在水聽器制備及傳感等領(lǐng)域。

△表 PPMJ打印技術(shù)與傳統(tǒng)干壓式對比

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