Research：微尺度连续液体界面3D打印用于制造压电超材料

美国亚利桑那州立大学(Arizona State University) 陈相帆团队首次将微尺度连续液体界面制造3D打印技术应用于制造压电超材料，实现了压电陶瓷复合材料的高精度、高速度、连续成型3D打印。相关文章发表在Research上。

Citation：Siying Liu, Wenbo Wang, Weiheng Xu, Luyang Liu, Wenlong Zhang, Kenan Song, Xiangfan Chen, "Continuous Three-Dimensional Printing of Architected Piezoelectric Sensors in Minutes", Research, vol. 2022, Article ID 9790307, 13 pages, 2022. https://doi.org/10.34133/2022/9790307


01 研究背景

研究表明三维（3D）压电超材料（metamaterials）在提供各向异性或指向性的压电效应方面具有巨大的潜力。与此同时，3D打印也已被证明是用来制造3D压电超材料的有效途径。然而，不论是基于挤出式原理的例如墨水直写（Direct ink writing，DIW）技术，或是基于光固化式原理, 例如投影式光固化（Digital light processing，DLP）技术等，均很难同时实现压电材料的高精度和高速度3D打印，这限制了关于3D压电超材料的进一步研究和大规模工业化生产应用。

02 研究进展

美国亚利桑那州立大学(Arizona State University) 陈相帆团队首次将微尺度连续液体界面制造（Micro Continuous Liquid Interface Production, μCLIP）3D打印技术应用于制造压电超材料，实现了压电陶瓷复合材料的高精度、高速度、连续成型3D打印。



图1. 连续快速压电陶瓷复合材料的3D打印

团队首先对常用压电陶瓷材料如钛酸钡（Barium titanate, BTO）的纳米级颗粒进行了化学表面修饰，基于此配制了最高含有30 wt% 陶瓷纳米颗粒的光固化3D打印树脂。通过优化打印参数实现了最高可达60 微米/秒的最优打印速度，在保持了微米级打印精度以及同等量级的压电性能的同时，与其他基于DLP的压电陶瓷复合材料3D打印技术相比，将打印速度提高了至少10倍。同时，团队验证了将这技术应用于其他常见如锆钛酸铅（Lead zirconate titanate，PZT）、氮化铝（Aluminum nitride，AlN）等常见的压电陶瓷材料的可能性，进一步展示了这一技术应用范围的广泛性。



图2 最优化打印速度及材料压电性能；3D打印复杂、多尺度压电结构展示

在此基础上，团队通过μCLIP打印并表征了一种常见的体心立方（Body-centered cubic）晶格结构压电超材料，展示了压电超材料相较于传统压电材料具有显著提升的、可调节的机械及压电性能。团队进一步制造打印并表征了一系列不同结构的压电超材料，验证了使用这一技术制造应用于柔性电子，可穿戴设备等领域的3D压电超材料的可行性。



图3. 柔性及可穿戴压电传感应用

03
未来展望

该成果实现了压电陶瓷复合材料的高精度，高速度3D打印，所打印的压电陶瓷材料具有可靠的机械及压电性能，因此具有应用于大规模工业化生产的潜力，同时也为进一步设计和制造新型的，具有可调节的各向异性或指向性性能的压电3D压电超材料提供了可靠的平台。

04
作者简介

陈相帆（Chen Xiangfan）美国亚利桑那州立大学（Arizona State University）工程学院（Ira A. Fulton Schools of Engineering） 制造工程专业助理教授。主要研究领域为先进制造技术，包括微纳尺度增材制造(3D打印)与纳米压印技术，光学相关功能器件的设计、加工、表征及工程应用，近年在Research、 Advanced Materials、 Nano Letters、 Advanced Optical Materials 等期刊发表多篇论文。

课题组主页：https://chenlab.engineering.asu.edu/