锆钛酸铅压电陶瓷的DLP光固化3D打印技术

供稿人：张佳豪、连芩
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　
来源：中国机械工程学会增材制造技术（3D打印）分会

压电陶瓷部件由于能够将机械能转化为电能的特性，如今被广泛应用。传统的压电陶瓷部件是通过机械切割技术制造的。然而，由于陶瓷的高硬度、高强度和脆性，复杂结构的压电陶瓷零件制造难度较大，还会降低其压电性能。而增材制造技术可以实现复杂设计的压电陶瓷零件成形与加工的一体化，其中数字光处理技术(DLP)具有生产精度高、成型速度快、表面质量好等优点。锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷是目前应用最广泛的压电材料。但是目前，利用数字光处理技术制备PZT压电陶瓷面临两个技术难题:(1)超低固化深度;(2)散射效应严重。较差的固化性能限制了DLP技术在压电陶瓷制造中的应用。

华中科技大学刘春雷、吴甲民等通过在PZT陶瓷浆料中加入可溶淀粉,改善浆料的折射率和紫外光吸收率。利用DLP技术制备了具有高性能和复杂结构的3D打印PZT压电陶瓷。经后处理后，含20 vol%可溶性淀粉的PZT陶瓷的相对密度可达到理论密度的89.51%左右。

图1 不同可溶性淀粉含量的PZT浆料固化深度及精度检测装置

可溶性淀粉在改善PZT陶瓷浆料的打印性能方面具有明显的优势。图1为不同可溶性淀粉含量的PZT浆料固化深度。未添加可溶性淀粉的陶瓷浆料固化深度达不到3D打印要求。将可溶性淀粉的含量从20 vol%提高到50 vol%，可以提高打印精度。结果表明，引入可溶性淀粉的超低折射率和紫外光吸收率是提高PZT浆料固化性能的有效方法。

该团队为了对可溶性淀粉含量的影响进行量化和提供有价值的见解，系统地研究了PZT陶瓷的电学性能。如图2，加入可溶性淀粉打印的压电陶瓷具有良好的介电和压电性能，证明了DLP技术在制造压电元件方面具有巨大的潜力。

图2 含20 vol%可溶性淀粉的PZT陶瓷的电学性能

该团队的研究为利用数字光处理技术制造高性能复杂结构的压电陶瓷提供了一条很好的途径，扩大了DLP技术在压电陶瓷制造中的应用和DLP技术形成的材料范围。

参考文献：
Chun-Lei L ,Quanpei D ,Han Z , et al. 3D printing of lead zirconate titanate piezoelectric ceramics via digital light processing (DLP)[J]. Ceramics International,2023,49(17PA).