弗吉尼亚理工学院郑小雨团队突破晶格局限3D打印压电智能材料

文/知社学术圈

压电材料是受到压力作用时会在相对表两端面间产生出现电压的晶体材料。 压电材料存在于现有各种传感器当中，在换能器，传感器，驱动器，声纳，手机 和 机器人等方面有普遍应用。

1880年，法国物理学家P. 居里和J.居里兄弟发现，把重物放在石英晶体上，晶体某些表面会产生电荷，电荷量与压力成比例。利用压电材料的这些特性可实现机械振动（声波）和交流电的互相转换。 打火机的点火装置，就是由压电陶瓷受压力尖端放电产生。

压电效应的产生是晶胞中正负离子在外界条件作用下出现的相对位移使正负电荷中心不再重合，导致晶体发生宏观极化。 压电电荷的流动方向取决于并遵循其陶瓷和晶体材料的晶格排列。其电压输出特性、压电系数便局限于压电材料本身的空间晶格排列。所有压电传感器，便需要特定的工艺制成片状，分别制成阵列，安装于需要传感的物体表面。因此，压电材料的难加工，脆性，重量，设计和操纵的难度是本领域的一大挑战。

为解决上述上述挑战，位于美国东部的弗吉尼亚理工学院的Xiaoyu (Rayne) Zheng 郑小雨教授及其实验室博士团队首次打破这一局限，提出可任意设计可快速打印的压电三维材料，实现电压在任意方向可被放大，缩小，及反向的特性。 其成果由Huachen Cui (崔华晨)， Ryan Hensleigh, Desheng Yao （姚德圣）等于2019年1月21日，在《Nature Materials》名为  “Three-dimensional printing of piezoelectric materials with designed anisotropy and directional response” 的文章中发表。

他们的设计方案正来源于利用压电效应产生的晶格原理并打破晶格的局限性，通过三维几何构型在二维投影面的投影的分布，巧妙的设计出在各个方向具有不同压电输出的人工压感结构 (图1)。该设计理念巧妙的联想于人们熟悉的影子木偶游戏。 该单元人工晶格结构，通过排列组合，构成了三维桁架式立体结构。通过设计和机电耦合有限元计算，实现在三个坐标方向上具有不同的对称性从而产生任意压电系数空间方向张量，实现远超过晶体本身的对称分布。他们通过使用不同连接度的设计单元进行组合， 还可使一完整结构同时具有不同的刚度和强度特性，实现力电多功能压电耦合材料。

图1（a）

图1（b）

图1 三维投影法实现压电张量方向设计

图2: 高灵敏度压电材料的合成及增材制造

1 多功能柔性可穿戴智能材料

通过电压激活后，该团队设计和制造出了一系列新型智能材料。该三维材料可具有任意形状，任意内部结构复杂度，并且每一个节点，单元和材料本身任意部位均具有压电感应功能，无需任何附加传感器即可实现电压输出。 该团队开发了该材料的多种潜在应用，他们做出了柔性压电材料，将材料附着在任意曲面上探测压力，将材料打印成指环感应手指弯曲力。  同时他们打印出轻质，坚硬的吸能材料，该压电材料可实时探测到表面受到的冲击同时将吸入的能量实时检测出。

图3: 可穿戴柔性压电材料实时自行探测动态压力

2 自感应吸能材料及护甲  

由于这种智能材料各个部位均具有压电感应，其打印制成的三维结构将无需任何附加传感器，并探测出任意位置的压力或震动。 为实现这一特性，该团队打印出智能桥梁结构，该结构，在无任何附加传感器条件下，实现灵敏探测任意位置上的扰动和撞击。而在现有传感技术和结构损伤检测当中，则需要在各个位置上布满大量的压电传感器来实现。现有传感器技术中，对于复杂结构的测量，则需通过复杂算法优化计算，最终来决定传感器阵列的布置。这种自感应三维材料，则通过任意部位的压电结构材料，首次解决了这一难题 （图4）。

图4 智能压电桥梁绗架结构

3 矢量传感领域

通过人工晶格设计制成的压电超材料，可以很灵巧的实现矢量探测传感功能。通过排列组合预先设计的压电系数，该团队可将不同的电压符号作为二维码，来实现任意位置机械波和力的大小，方向自行测量, 图5。该团队进一步展示了压电超材料的功能设计及其自行压力传感器的功能展示。 该团队并展望其在矢量传感器，水下探测，生物及汽车安全防护传感器均可得到应用。

    图5

4 增材制造及超材料领域

微筑超材料是自2014 年以来新型的材料领域, 通过设计材料微纳米三维几何构架，并通过高精度3D打印制成 超轻质材料，其密度是水密度的1/100一下，同时具有比石墨烯空气胶，碳纳米管空气胶高达几个数量级的硬度。早在2014 年，曾就职于美国能源部劳伦斯利弗摩尔国家实验室的郑小雨，连同Christopher Spadaccini, 合作者MIT 的Nicholas Fang及合作者共同开发了超轻超硬的超材料，Zheng, X, et al., Ultralight Ultrastiff Mechanical Metamaterials, Science, 20 Jun 2014 。

他们将微筑材料通过3D打印光固化制成金属，陶瓷及有机材料，展示了其超轻，超硬的特性。该研究曾在2015年麻省理工科技评论被评为十大技术突破之一。

2016年，加入弗吉尼亚理工学院的郑小雨又将超材料扩展到大面积，多尺度领域，开发出了大面积增材制造的多层级尺度金属超材料，将尺度范围扩大到七个数量级，同时涵盖百万个微纳米绗架单元，其结果发表于 2016 年的 Nature Materials 当中。Zheng, X, et al., Multi-scale metallic metamaterials, Nature Materials, 18 July 2016

郑小雨教授的团队，在这篇文章中，首次将机械超材料赋予智能化，将其所有力学特性传递到电压输出，拓展出新的机电耦合超材料。

佐治亚理工机械学院教授 H. Jerry Qi  评论道：

“The authors wisely combined piezo-active nanocomposites, additive manufacturing, and metamaterials and achieved a new class of sensitive and controllable light-weight smart materials. These smart materials offer a tremendous potential for future applications such as smart structures, new armors as well as intelligent wearable materials.”

麻省理工机械工程系教授Nicholas Xuanlai Fang点评：

This work presents an exciting breakthrough of microstructured functional piezoceramic materials. It shows promise for revolutionize high performance and compact piezoelectric transducers in a wide array of applications such as energy harvesting devices and personal ultrasound actuators.

剑桥大学材料工程系教授Professor Vikram Deshpande,（UK）点评：

This work combines the notion of electromagnetic metamaterials with mechanical metamaterials to create highly responsive piezoelectric materials. It provides a new way to alter piezoelectric anisotropy, representing a new concept for smart material design.

宾州大学Penn State材料学院Shashank Priya, Professor and Vice President of Research点评：

“The ability to achieve the desired mechanical, electrical and thermal properties will significantly reduce the time and effort needed to develop practical materials”

研究组简介

郑小雨博士的研究组从事先进增材制造及超材料的设计开发（https://www.raynexzheng.com/），曾先后于2017 和2018年荣获美国空军基础科学部 （AFOSR YIP AWARD）年轻教授奖和海军研究部颁发的年轻教授奖 (ONR YIP AWARD)。

论文主要作者： 左 Ryan Hensleigh, Xiaoyu (Rayne) Zheng郑小雨（通讯作者），Huachen Cui 崔华晨 （第一作者），Desheng Yao 姚德胜

左起，Huachen Cui，Desheng Yao， Xiaoyu Zheng，Ryan Hensleigh

文/知社学术圈