华中科技大学创新3D打印磁性结构轻松发电

来源： Engineering

三维（3D）打印作为一种新兴的增材制造技术，促进了多功能且复杂结构原型的制造，在航空航天、组织工程、珠宝和柔性电子等学科领域展现了巨大的前景。由磁性粒子和可打印聚合物组成的3D打印磁性结构，因在可控机械手、可变形软体机器人等方面拥有巨大潜力，引起了人们的广泛关注。这种结构驱动形状改变的力会导致磁场分布发生变化，表明这种结构具有将机械能转化为电能的能力。

华中科技大学苏彬研究团队在中国工程院院刊《Engineering》2022年8月刊发表了题目为《可自供能感知液滴撞击的3D打印超疏水磁性器件》的研究性文章，通过整合两种3D打印方法，制造了一种具有柔性超疏水和磁性的器件。文章指出，3D打印磁性器件（3DMD）在连续滴水时，表现出具有长期稳定的力电转换能力，输出电流比现有文献记录的输出电流高。结合麦克斯韦数值仿真，文章研究了3DMD的力电转换机理，进而指导了各种参数的调控。此外，文章通过连续的雨水收集，三个集成的3DMD点亮了一个商用发光二极管（LED）。文章表明，这种结合了能量转换的组合型设计有望推动3D打印领域的发展。

文章中的3DMD结构是通过商业3ds Max软件设计的。采用熔融沉积建模（FDM）3D打印技术，制造了不同厚度（1~3 mm）和凸起尺寸（半径为1.0 mm或1.5 mm）的多个磁性顶部。顶部的磁性颗粒通过磁化器在1900 V以上的高压下产生的脉冲磁场进行垂直磁化。10%（质量分数）疏水性二氧化硅纳米颗粒经过超声处理后分散在乙醇中，然后将二氧化硅基溶液喷洒到3D打印的磁性顶部进行疏水处理。Agilus30光聚合物用于通过Polyjet 3D打印技术制造弹性杆，弹性杆长度为2~8 mm。最后通过简单组装三个组件，即磁性顶部、弹性杆状底部和导电铜线圈来完成3DMD的制造。

文章通过采用3D打印制造了一个柔性的超疏水和磁性系统，用于自供能感知下落的水滴。3DMD的两个部分，即磁性顶部和弹性杆底部分别通过FDM和Polyjet技术制备。由于具有超疏水表面，3DMD在连续滴水的情况下表现出长期稳定的力电转换能力。这主要归因于有效降低的固/液黏附性，确保了磁性和电气元件之间可靠的距离变化，进而实现发电。文章为雨滴的灵活力电转换策略提供了一种新方法，并且可推广到未来的振动监测中。

以上内容来自：Xuan Zhang, Qi Wang, Ruiping Zou, Bo Song, Chunze Yan, Yusheng Shi, Bin Su. 3D-Printed Superhydrophobic and Magnetic Device That Can Self-Powered Sense A Tiny Droplet Impact [J]. Engineering, 2022, 15(8): 197-206.

原文链接：http://www.engineering.org.cn/en/10.1016/j.eng.2022.04.009