鋯鈦酸鉛壓電陶瓷的DLP光固化3D打印技術(shù)

供稿人：張佳豪、連芩
供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　
來(lái)源：中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)增材制造技術(shù)（3D打?。┓謺?huì)

壓電陶瓷部件由于能夠?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的特性，如今被廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的壓電陶瓷部件是通過(guò)機(jī)械切割技術(shù)制造的。然而，由于陶瓷的高硬度、高強(qiáng)度和脆性，復(fù)雜結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷零件制造難度較大，還會(huì)降低其壓電性能。而增材制造技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜設(shè)計(jì)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(shù)(DLP)具有生產(chǎn)精度高、成型速度快、表面質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)。鋯鈦酸鉛(PZT)壓電陶瓷是目前應(yīng)用最廣泛的壓電材料。但是目前，利用數(shù)字光處理技術(shù)制備PZT壓電陶瓷面臨兩個(gè)技術(shù)難題:(1)超低固化深度;(2)散射效應(yīng)嚴(yán)重。較差的固化性能限制了DLP技術(shù)在壓電陶瓷制造中的應(yīng)用。

華中科技大學(xué)劉春雷、吳甲民等通過(guò)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(shù)制備了具有高性能和復(fù)雜結(jié)構(gòu)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(duì)密度可達(dá)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(cè)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(shì)。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(dá)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(jié)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(tuán)隊(duì)為了對(duì)可溶性淀粉含量的影響進(jìn)行量化和提供有價(jià)值的見(jiàn)解，系統(tǒng)地研究了PZT陶瓷的電學(xué)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(shù)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(xué)性能

該團(tuán)隊(duì)的研究為利用數(shù)字光處理技術(shù)制造高性能復(fù)雜結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷提供了一條很好的途徑，擴(kuò)大了DLP技術(shù)在壓電陶瓷制造中的應(yīng)用和DLP技術(shù)形成的材料范圍。

參考文獻(xiàn)：
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).