通過毛細(xì)管懸浮液直寫成型實現(xiàn)高壓電性能壓電陶瓷制造

供稿人：張益涵 王玲 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

壓電陶瓷材料的材料性能限制了壓電能量收集器發(fā)電性能的提高，制備具有分層結(jié)構(gòu)有望提高壓電陶瓷材料機(jī)電轉(zhuǎn)換性能，突破材料本身限制，具有重要研究與應(yīng)用價值。

德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院應(yīng)用材料陶瓷材料和技術(shù)研究所與挪威科技大學(xué)材料科學(xué)與工程系的研究人員將直寫成型（DIW）和毛細(xì)管懸浮液（CapS）結(jié)合，制備了具有獨特微觀和介觀結(jié)構(gòu)的3-3連通度的多孔結(jié)構(gòu)，如圖1所示。使用該方式制備的多孔鈦酸鋇（BT）陶瓷制件，在燒結(jié)溫度1150℃時，呈現(xiàn)出較高能量收集品質(zhì)因數(shù)（FOM33），突破了該材料機(jī)電轉(zhuǎn)換性能的極限。

圖1        （a）3D打印鈦酸鋇多孔支架整體CT掃描橫切(b) 通過支柱縱切面 (c)水平橫切面（d）SEM側(cè)視圖 (e) 放大的SEM橫切圖像 (f)燒結(jié)懸浮液獨特微觀結(jié)構(gòu)的橫切圖像 (g)電場強(qiáng)度模擬圖 （h）懸浮液陶瓷顆粒示意圖（i）燒結(jié)后陶瓷顆粒示意圖

該團(tuán)隊設(shè)置了兩種工藝比較，制備了3D打印多孔(AM)樣品與粉末壓制(CS)樣品，并通過控制燒結(jié)溫度（Ts），獲得了不同燒結(jié)程度和孔隙率（α）的樣件。通過用壓電評估系統(tǒng)測試相對介電常數(shù)和壓電系數(shù)（d33），并根據(jù)公式（1）計算能量收集品質(zhì)因數(shù)，實驗結(jié)果如圖2所示。其中，紅色折線圖為AM樣品，藍(lán)色折線圖為CS樣品，圖2中也顯示了相應(yīng)樣品的孔隙率α。

圖2 （a）壓電系數(shù)d33 （b）相對介電常數(shù) （c）能量收集品質(zhì)因數(shù)FOM33

介電方面，由于AM樣品整體較高的孔隙率而表現(xiàn)出較低的介電常數(shù)，但變化趨勢與CS樣品相同：相對介電常數(shù)εr隨孔隙率α的增加而降低。壓電響應(yīng)方面，CS樣品的壓電系數(shù)d33隨著孔隙率的降低而不斷增加。然而，對于AM樣品的壓電系數(shù)，中間燒結(jié)溫度（1150℃）時，壓電系數(shù)d33處于最大水平。這主要是因為此燒結(jié)程度可以牢固地連接有序的顆粒網(wǎng)絡(luò)，且能仍保持較大的孔隙率，最小化對每個晶粒的夾緊效應(yīng)，最終導(dǎo)致具有較高的壓電系數(shù)d33。

圖3 能量收集品質(zhì)因數(shù)與孔隙率的函數(shù)關(guān)系

根據(jù)圖3顯示，毛細(xì)管懸浮液（CapS）和直寫成型（DIW）的結(jié)合，制造出的多孔陶瓷樣件的能量收集品質(zhì)因數(shù)FOM33比致密陶瓷高486%。這遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出了依靠冷凍鑄造、多孔燒毀聚合物球（BURPS）等方式制造出的多孔鈦酸鋇的FOM33值。這證明了該制造方式在壓電能量收集器制造領(lǐng)域中具有極高價值。

參考文獻(xiàn)：
MENNE D, LEMOS DA SILVA L, ROTAN M, et al. Giant Functional Properties in Porous Electroceramics through Additive Manufacturing of Capillary Suspensions [J]. ACS Appl Mater Interfaces, 2022, 14(2): 3027-37.