鋯鈦酸鉛壓電陶瓷的DLP光固化3D打印技術

供稿人：張佳豪、連芩
供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室　
來源：中國機械工程學會增材制造技術（3D打印）分會

壓電陶瓷部件由于能夠將機械能轉化為電能的特性，如今被廣泛應用。傳統(tǒng)的壓電陶瓷部件是通過機械切割技術制造的。然而，由于陶瓷的高硬度、高強度和脆性，復雜結構的壓電陶瓷零件制造難度較大，還會降低其壓電性能。而增材制造技術可以實現(xiàn)復雜設計的壓電陶瓷零件成形與加工的一體化，其中數(shù)字光處理技術(DLP)具有生產(chǎn)精度高、成型速度快、表面質量好等優(yōu)點。鋯鈦酸鉛(PZT)壓電陶瓷是目前應用最廣泛的壓電材料。但是目前，利用數(shù)字光處理技術制備PZT壓電陶瓷面臨兩個技術難題:(1)超低固化深度;(2)散射效應嚴重。較差的固化性能限制了DLP技術在壓電陶瓷制造中的應用。

華中科技大學劉春雷、吳甲民等通過在PZT陶瓷漿料中加入可溶淀粉,改善漿料的折射率和紫外光吸收率。利用DLP技術制備了具有高性能和復雜結構的3D打印PZT壓電陶瓷。經(jīng)后處理后，含20 vol%可溶性淀粉的PZT陶瓷的相對密度可達到理論密度的89.51%左右。

圖1 不同可溶性淀粉含量的PZT漿料固化深度及精度檢測裝置

可溶性淀粉在改善PZT陶瓷漿料的打印性能方面具有明顯的優(yōu)勢。圖1為不同可溶性淀粉含量的PZT漿料固化深度。未添加可溶性淀粉的陶瓷漿料固化深度達不到3D打印要求。將可溶性淀粉的含量從20 vol%提高到50 vol%，可以提高打印精度。結果表明，引入可溶性淀粉的超低折射率和紫外光吸收率是提高PZT漿料固化性能的有效方法。

該團隊為了對可溶性淀粉含量的影響進行量化和提供有價值的見解，系統(tǒng)地研究了PZT陶瓷的電學性能。如圖2，加入可溶性淀粉打印的壓電陶瓷具有良好的介電和壓電性能，證明了DLP技術在制造壓電元件方面具有巨大的潛力。

圖2 含20 vol%可溶性淀粉的PZT陶瓷的電學性能

該團隊的研究為利用數(shù)字光處理技術制造高性能復雜結構的壓電陶瓷提供了一條很好的途徑，擴大了DLP技術在壓電陶瓷制造中的應用和DLP技術形成的材料范圍。

參考文獻：
Chun-Lei L ,Quanpei D ,Han Z , et al. 3D printing of lead zirconate titanate piezoelectric ceramics via digital light processing (DLP)[J]. Ceramics International,2023,49(17PA).