09
2025
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04
行业新知丨微立体光刻3D打印具有膨胀结构的压电陶瓷
作者：
压电陶瓷被广泛应用于各种领域，但由于压电陶瓷硬而脆的性质，复杂结构的压电陶瓷难以实现。近日，南京航空航天大学吴大伟教授带领团队在《Ceramics International》发表了题为《3D-printed piezoelectric ceramics with auxetic structure for high-performance sensing applications》的研究，他们利用3D打印方法引入负泊松比结构（膨胀结构）制备锆钛酸铅（PZT）陶瓷。3D打印的复杂结构陶瓷表现出预期的压电性能以及良好的振动性能。
研究内容
本研究设计了一种具有大应力变形和响应的拉胀结构，利用μSL技术实现了特殊复杂结构PZT陶瓷的制备，并进行了物理性能验证，以了解拉胀结构3D打印方法的有效性。为进一步评估拉胀结构PZT陶瓷的性能，对样品进行了封装集成并进行了对比实验。
以下是文章的研究方法及数据：
△图1，( a ) 3D打印压电陶瓷材料的制备过程：球磨、抽真空、打印、烧结、电极电镀和极化。( b )微立体光刻（μSL）示意图。
△图2，（a ）传感装置设计示意图。（b）制备好的传感装置的实际图像。
△图3，( a )受外部载荷作用的膨胀结构中的应力分布。模型左侧施加固定约束，右侧施加拉伸载荷，图中颜色表示归一化的应力分布。 ( b ) 膨胀结构和块体结构样品内部的模拟压电势分布。模型底部施加固定约束，顶部表面施加动态载荷，图中颜色表示归一化压电势对外力的响应分布。
△图4，( a )生坯部分和烧结的 3D 打印 PZT 陶瓷（具有膨胀结构）的图片。右侧显示打印样品，左侧显示烧结陶瓷。PZT 陶瓷横截面形貌的 SEM 图像（b）3D 打印生坯部分，（c）脱脂后，（d）烧结后，以及（e）烧结后通过常规方法生产的块。
△图 5. ( a ) 3D 打印拉胀结构 PZT 陶瓷的极化-电场 (P-E) 磁滞回线。( b ) 3D 打印拉胀结构 PZT 陶瓷的阻抗和相位角谱。
△图6，样品的振动测量：( a ) 拉胀结构PZT陶瓷的特征频率。( b ) 拉胀结构PZT陶瓷和块状PZT陶瓷的模拟和实验测量的振动模式。
△图7， 膨胀结构和块状结构的最大振动幅度与电压的关系的比较线图。
△图8，膨胀块结构装置的脉冲回波响应。
△图9，膨胀型和块状结构压电装置的（ a）轻敲、（b）按压、（c）乒乓球自由落体和（d ）动脉脉动的电压响应
结论
研究团队利用微立体光刻成型（μSL）3D打印技术制备了具有拉胀结构的压电陶瓷片。3D打印的PZT陶瓷实现了致密、无裂纹的微观结构，晶粒均匀，具有预期的压电和铁电性能。此外，还制作了由3D打印拉胀结构组成的压电器件，并进行了一系列器件应用测试。具有拉胀结构的3D打印压电陶瓷可用于超声波传感。与传统块状陶瓷相比，它在机械传感方面具有更大的优势，电压输出高出5-8倍。证明了拉胀结构具有高应力变形和响应、高能量转换效率和高灵敏度的优势。
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