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《Additive Manufacturing》:3D打印柔性压电聚合物复合材料及参数优化

《Additive Manufacturing》:3D打印柔性压电聚合物复合材料及参数优化

  • 分类:行业动态
  • 发布时间:2023-03-16 17:01
  • 访问量:

【概要描述】

《Additive Manufacturing》:3D打印柔性压电聚合物复合材料及参数优化

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2023年2月27日,韩国高丽大学研究人员在《Additive Manufacturing》上发表题为Optimization of piezoelectric polymer composites and 3D printing parameters for flexible tactile sensors的研究论文,采用DLP打印技术制备了具有增厚结构的柔性压电-聚合物复合材料,并显示出良好的柔韧性、高压电系数(dss)以及比典型平面结构强大约3倍的压电电压输出。

原文链接:

https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103470

  研究简介  
本文通过优化3D打印陶瓷聚合物复合材料的配方和加工性能,为制备具有可打印性和压电响应的压电材料提供了新的解决方案。研究人员所采用的方法是基于3d打印压电复合材料配方和auxetic结构设计。结果表明,最佳配方界面附着力强,分散稳定性高,粘度低,表面光滑,具有较高的压电性。此外,对UV激光的强度和应用时间等加工参数进行了优化,并对模拟结构进行了设计,从而进一步增强了压电响应,并对几种增缓结构进行了比较。
文中的3D打印压电复合材料含有功能化压电陶瓷粉末和分散剂,显示出良好的柔韧性、高压电系数(dss)以及比典型平面结构强大约3倍的压电电压输出。该传感器基于3D打印的具有增厚结构的压电复合材料,具有较高的开路电压,可作为高性能的触觉位置传感器。研究结果表明,3D打印压电复合材料可以实现具有高压电响应和可打印性的柔性复杂结构,以制备柔性自供电电子设备和传感器。

  研究内容解读  

3d打印陶瓷-聚合物复合材料的压电性能受到其功能性和可打印性的影响。首先,由于聚合物基体与陶瓷粉末之间的界面粘附性较差,应力传递效率较低,导致不相容、分散性差的印刷复合材料的压电性能下降。此外,由于较高的陶瓷浓度会导致较大的散射、团聚和高粘度,因此很难同时获得良好的打印适应性和压电响应。为了制备具有良好压电性能的3D打印复合材料,陶瓷-聚合物复合材料必须同时具有高陶瓷含量、合适的分散性和良好的界面粘附性。
本研究采用DLP打印技术制备了具有增厚结构的压电-聚合物复合材料。首先,采用硅烷偶联剂(TMSPM)和分散剂(basf)对陶瓷聚合物悬浮液的配方进行了优化。最佳配方为: 50 wt%(≈12.5 vol%)的TMSPM-PMN-PZT树脂中加入2 wt%的巴斯夫分散剂,可表现出良好的界面粘附性,分散稳定性最高,粘度低,且表面光滑。此外,通过监测固化深度和超宽,根据陶瓷悬浮液来调控UV激光强度和曝光时间,从而优化3D打印的加工条件。这种3D打印复合材料改善了压电响应和可打印性,以及通过无机陶瓷颗粒和有机聚合物基质之间的功能化和分散作用增强韧性和伸长率方面的机械性能。
其次,通过有限元模拟,预测提高压电性能的结构为增厚型结构,在1 N负载下,厚度为3.2 mm的增厚型结构的输出电压从2 V增加到6 V,几乎是平板输出电压的3倍。
最后,结合材料和结构设计,实现了柔性自供电有源传感器。由于压电复合材料由基于软材料的交联聚合物组成,3D打印的结构表现出良好的柔韧性和高达50%的可拉伸性,并且设计的增厚结构是柔性的。基于该结构的自供电触觉位置传感器可以通过监测开路输出电压的大小来检测负载的位置和数量。这项研究表明,具有增厚结构的3D打印压电复合材料可用于可穿戴和可拉伸的自供电设备、柔性触觉位置跟踪传感器、以及用于压力监测系统的能量收集。

图1 (a)功能化的硅烷偶联剂PMN-PZT在水中的粒子反应示意图。(b)含功能化PMN-PZT颗粒和分散剂的聚氨酯丙烯酸酯单体和低聚物的紫外光固化聚合物的化学结构。

图2 (a)含高固含量的不同配方的陶瓷悬浮液原理图。

图3 30 wt% PMN-PZT聚合物树脂在(a) 60 s,紫外激光曝光时间和(b) 5.4 mW/cm2紫外激光强度下,添加和不添加0.2 wt%光吸收体时的固化深度(D)和剩余宽度(Wex)。固化深度和多余宽度取决于(c)颗粒大小和(d)颗粒浓度在60 s,紫外激光曝光时间。

图5三维模型(a)平板,(b)菱形,和(c)变形结构。用硅烷偶联剂和巴斯夫分散剂打印的50 wt% TMSPM-PMN-PZT树脂样品呈(d)平板结构、(e)菱形结构和(f)异型结构。添加硅烷偶联剂和巴斯夫分散剂的50 wt% TMSPM-PMN-PZT树脂打印样品的SEM截面图(g)为平板结构,(h)为菱形结构,(i)为异型结构。

图7 (a)设计示意图和(b)用于压电复合材料的3d打印平板和增厚结构的图像。(c)基于50 wt% TMSPM-PMN-PZT复合树脂和巴斯夫分散剂的3d打印可拉伸增厚结构图像。(d) 50 wt% PMN-PZT复合材料、50 wt% TMSPM-PMN-PZT复合材料和添加巴斯夫分散剂的50 wt% TMSPM-PMN-PZT复合材料压电电荷常数(d3a)的实验结果。(e) 50 wt% PMN-PZT复合材料,50 wt% TMSPM-PMN-PZT复合材料,50 wt% TMSPM-PMN-PZT复合材料,厚度为0.8 mm的平板结构的输出电压。(f) 50 wt% TMSPM-PMN-PZT复合材料,含basf分散剂,与3.2 mm厚度的平板和增厚结构相比,压电电压随载荷的模拟和实验结果。(g)基于50 wt% TMSPM-PMN-PZT复合材料(含3.2 mm厚度的巴斯夫分散剂)在20 N负载下3d打印平面和变形样品的输出电压的实验结果。

——END——

奇遇科技团队DLP 3D打印机可打印压电陶瓷结构,DLP光固化3D打印技术具有打印精度高、打印速度快的特点,可适应众多材料体系,广泛应用于医疗、电子、教育、建筑等领域,实现了工业复杂零部件大批量、个性化定制生产。同时,奇遇科技团队建立了整合“设备产品—技术培训—售后指导”三位一体的服务模式,打造一站式3D打印解决方案供应商,为各行业提供专业的3D打印服务及产品。

图1 奇遇科技3D打印的压电陶瓷成品

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