通过毛细管悬浮液直写成型实现高压电性能压电陶瓷制造

供稿人：张益涵 王玲 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

压电陶瓷材料的材料性能限制了压电能量收集器发电性能的提高，制备具有分层结构有望提高压电陶瓷材料机电转换性能，突破材料本身限制，具有重要研究与应用价值。

德国卡尔斯鲁厄理工学院应用材料陶瓷材料和技术研究所与挪威科技大学材料科学与工程系的研究人员将直写成型（DIW）和毛细管悬浮液（CapS）结合，制备了具有独特微观和介观结构的3-3连通度的多孔结构，如图1所示。使用该方式制备的多孔钛酸钡（BT）陶瓷制件，在烧结温度1150℃时，呈现出较高能量收集品质因数（FOM33），突破了该材料机电转换性能的极限。

图1        （a）3D打印钛酸钡多孔支架整体CT扫描横切(b) 通过支柱纵切面 (c)水平横切面（d）SEM侧视图 (e) 放大的SEM横切图像 (f)烧结悬浮液独特微观结构的横切图像 (g)电场强度模拟图 （h）悬浮液陶瓷颗粒示意图（i）烧结后陶瓷颗粒示意图

该团队设置了两种工艺比较，制备了3D打印多孔(AM)样品与粉末压制(CS)样品，并通过控制烧结温度（Ts），获得了不同烧结程度和孔隙率（α）的样件。通过用压电评估系统测试相对介电常数和压电系数（d33），并根据公式（1）计算能量收集品质因数，实验结果如图2所示。其中，红色折线图为AM样品，蓝色折线图为CS样品，图2中也显示了相应样品的孔隙率α。

图2 （a）压电系数d33 （b）相对介电常数 （c）能量收集品质因数FOM33

介电方面，由于AM样品整体较高的孔隙率而表现出较低的介电常数，但变化趋势与CS样品相同：相对介电常数εr随孔隙率α的增加而降低。压电响应方面，CS样品的压电系数d33随着孔隙率的降低而不断增加。然而，对于AM样品的压电系数，中间烧结温度（1150℃）时，压电系数d33处于最大水平。这主要是因为此烧结程度可以牢固地连接有序的颗粒网络，且能仍保持较大的孔隙率，最小化对每个晶粒的夹紧效应，最终导致具有较高的压电系数d33。

图3 能量收集品质因数与孔隙率的函数关系

根据图3显示，毛细管悬浮液（CapS）和直写成型（DIW）的结合，制造出的多孔陶瓷样件的能量收集品质因数FOM33比致密陶瓷高486%。这远远高出了依靠冷冻铸造、多孔烧毁聚合物球（BURPS）等方式制造出的多孔钛酸钡的FOM33值。这证明了该制造方式在压电能量收集器制造领域中具有极高价值。

参考文献：
MENNE D, LEMOS DA SILVA L, ROTAN M, et al. Giant Functional Properties in Porous Electroceramics through Additive Manufacturing of Capillary Suspensions [J]. ACS Appl Mater Interfaces, 2022, 14(2): 3027-37.