基于3D打印提升压电和仿生机械性能的块状铁电材料制造

供稿人：韩宇、鲁中良 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室


三维铁电材料是实现人机接口、能源可持续性和增强治疗的机电构件。 然而，目前的天然或合成材料均不能同时提供高压电响应和所需的机械韧性，以满足实用条件。 近来，美国威斯康星大学研究人员Jun Li[1]等人通过熔融沉积成形技术（FDM），创造了一种具有陶瓷压电特性和类人骨断裂韧性的层状铁电超材料块体，相比现有其他材料，其纵向压电荷系数显着增强，抗裂性比传统压电陶瓷高3倍以上，在智能生物系统应用中显示出了极大的潜力。

该团队在层状铁电超材料块体的设计中采用了片式多层陶瓷电容器（MLCC）结构，交替堆叠的软铁电层和硬电极层通过FDM以原位极化功能直接批量打印。其中，软电极层使用的是高导电性炭黑填料(CB)和聚乳酸（PLA）混合物，硬电极层由无铅Li-KNN、含铅铁电陶瓷、聚偏氟乙烯-共六氟丙烯(PVDF-HFP)组成。

图1描述了实现所述MLCC结构的操作和基本测试：图1 (a)显示了通过反复构建软铁电层和硬导电层的打印过程。其中，打印期间，在喷嘴和导电层之间施加一个电场；左下角的插图是铁电复合材料（上图）和导电复合材料（下图）的扫描电子显微镜(SEM)图；中下部的插图是打印前后的偶极子对准的原理图；右侧插图是Li-KNNMPs和PLA之间的结合界面示意图。图1 (b)通过有限元分析模拟了喷嘴和MLCC结构之间的电位分布。图1 (c)利用长波红外成像拍摄了打印过程中铁电结构周围的温度分布。图1 (d)是SEM侧视角度的铁电超材料层状异质结构。图1 (e)是结构中Nb元素（上图）和F元素（下图）的能量色散X射线光谱图(EDS)。

图1 3 D打印技术实现层状铁电超材料块体

图2给出了利用图1所示的打印技术制造的人骨结构和结构性能测试：图2(a)是内埋压电近端的指骨响应人体运动的示意图。图2 (b)展示了当沿垂直和水平方向受到微小冲击力时，沿指骨长（上图）、短（下图）轴打印的人工骨的各向异性压电响应。图2 (c)是指骨结构的压缩应力-应变曲线，其中图(i)对比了利用PLA/CB（红色）、铁电超材料（蓝色），PVDF-HFP/Li-KNN（黑色）打印的结构特性曲线，图(ii)对比了在相同铁电、电极层数条件下，3d打印铁电超材料在孔隙率从0%到75%变化时的结构特性曲线。图2 (d)通过调整成分和孔隙率，确定了所制造指骨的压缩模量范围。图2 (e)为该团队研发的人工指骨与其他材料制作人工骨的断裂韧性对比图，结果表明铁电超材料MLCC结构性能优于其他一系列天然或合成压电材料类似制品性能。

图2 3d打印的压电式人工骨骼及性能测试

需要注意的是，FDM技术的常见缺陷如斑点和孔隙等，在Jun Li团队的研究仍然存在。但总体而言，该团队开发的这种具有特殊压电性和断裂韧性的层状铁电超材料块体，为未来建立具有各向异性压电性、高韧性和可调模量的全尺寸压电骨样结构提供了研究参考。
参考文献：

    李杰，杨F，龙Y，等。 来自增材制造的具有增强压电和仿生机械性能的块体铁电超材料[J]. ACS 纳米, 2021, 15(9):14903-14914。