【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】壓電器件是現(xiàn)代醫(yī)療診斷、工業(yè)無損檢測和智能傳感系統(tǒng)的“心臟”，其中關(guān)鍵壓電材料的高性能化與復(fù)雜結(jié)構(gòu)成形能力對于實際應(yīng)用都至關(guān)重要。與傳統(tǒng)制備方法(如模具成型、機械加工)相比，3D打印技術(shù)在高精度陣列、曲面結(jié)構(gòu)等復(fù)雜/異形結(jié)構(gòu)壓電陶瓷元件的制備方面已經(jīng)逐漸展現(xiàn)出了成型速度快、設(shè)計靈活度高等突出優(yōu)勢。然而3D打印壓電陶瓷致密化困難，電學(xué)性能與傳統(tǒng)方法制備的陶瓷相比仍有差距，導(dǎo)致3D打印壓電器件的性能受到限制，很難滿足實際的工程應(yīng)用需求。具體來講，打通一條從“打印成型”、“燒結(jié)致密”到“器件集成”的完整技術(shù)鏈路，需要解決以下幾個難題：首先將高折射率的壓電陶瓷粉體(尤其是鉛基粉體)引入光敏樹脂中，會嚴重影響UV光的固化過程，極易導(dǎo)致固化性能差、分層開裂等問題，進而影響最終燒結(jié)陶瓷的性能；其次，生坯的后續(xù)燒結(jié)致密工藝的難點在于打印引入的微小缺陷可能導(dǎo)致燒結(jié)過程中的致密化不充分等問題，使陶瓷內(nèi)部出現(xiàn)較多孔隙；最后，在器件應(yīng)用環(huán)節(jié)，如何合理設(shè)計與材料匹配的器件結(jié)構(gòu)，利用高性能和復(fù)雜/異形結(jié)構(gòu)陶瓷制備出高性能的壓電器件，并驗證其在實際應(yīng)用中的優(yōu)勢，也是一大難題。這些難題并非孤立存在，而是環(huán)環(huán)相扣。如何建立和實現(xiàn)從材料、打印到器件的一體化設(shè)計與制造，是當(dāng)前3D打印壓電陶瓷從實驗室樣品走向?qū)嶋H應(yīng)用必須跨越的關(guān)鍵鴻溝。
 

　　針對上述問題，西安交通大學(xué)蔣莊德院士團隊與西安電子科技大學(xué)楊銀堂教授團隊提出了基于3D打印技術(shù)的“壓電材料-復(fù)雜結(jié)構(gòu)-器件應(yīng)用”全鏈條設(shè)計策略(圖1)，成功利用數(shù)字光處理技術(shù)(DLP)制造了高性能Sm摻雜PMN-PT(Sm-PMN-PT)壓電陶瓷，實現(xiàn)了復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)成形，并在超聲換能器應(yīng)用上凸顯了優(yōu)勢。優(yōu)化粉末粒徑后，固化性能顯著提升，打印陶瓷壓電系數(shù)d??高達1285 pC/N，進一步設(shè)計并制備了傳統(tǒng)方法難以實現(xiàn)的8元環(huán)形陣列超聲換能器，展現(xiàn)60%大帶寬、952 mV峰峰值電壓及優(yōu)異的成像分辨率。該成果有望為應(yīng)用于醫(yī)療診斷和無損檢測領(lǐng)域的壓電器件定制化設(shè)計開辟新途徑。
 

圖1 3D打印壓電陶瓷與換能器設(shè)計策略
 

　　鉛基壓電陶瓷粉體具有高折射率，會對打印固化過程中的紫外光造成嚴重的散射，導(dǎo)致漿料固化不充分，甚至打印失敗。研究團隊采用有限元仿真(FEA)結(jié)合Jacob's方程，系統(tǒng)研究了粉體粒徑對光散射和固化深度的影響。研究發(fā)現(xiàn)，將粉體粒徑從傳統(tǒng)工藝常用的0.6 μm優(yōu)化至1.0 ~ 1.5 μm，可顯著降低光散射，大幅提升固化深度和打印質(zhì)量?；诹絻?yōu)化和固化性能的改善避免了打印件的分層與開裂，并成功制備出傳統(tǒng)工藝難以實現(xiàn)的8陣元超聲換能器環(huán)形陣列等復(fù)雜/異形結(jié)構(gòu)壓電陶瓷，邊緣清晰，結(jié)構(gòu)完整。
 

(a) 不同粒徑粉體的光散射仿真 (b) 不同粒徑粉體漿料的固化性能實驗驗證(d-f) 成功打印的3陣元、8陣元環(huán)形陣列和多種復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷，展示了卓越的成型能力
 

　　在解決了打印成型的難題后，研究團隊通過精細調(diào)控脫脂與燒結(jié)工藝，獲得了致密度高達95%以上、無裂紋的壓電陶瓷。隨后，對粉體粒徑和燒結(jié)工藝進行了系統(tǒng)優(yōu)化，研究了3D打印壓電陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能。采用平均粒徑為1.0 μm的粉體，在1235 ℃下燒結(jié)制備的3D打印Sm-PMN-PT陶瓷展現(xiàn)出較高的壓電性能，其壓電系數(shù)d??高達1285 pC/N。
 

(b) 優(yōu)異的鐵電與壓電應(yīng)變性能 (c) 材料微觀結(jié)構(gòu)與性能優(yōu)化(d) 本工作d??值與已報道3D打印壓電陶瓷的性能對比
 

　　理論的突破最終要服務(wù)于實際應(yīng)用。研究團隊利用3D打印技術(shù)，成功制造出結(jié)構(gòu)復(fù)雜的8陣元環(huán)形陣列超聲換能器。性能測試表明，該換能器具有高達 60%的-6dB帶寬(BW)和952 mV的脈沖回波峰峰值(Vp-p)，綜合性能優(yōu)于其他3D打印換能器。在成像實驗中，與單陣元換能器相比，該環(huán)陣換能器通過動態(tài)聚焦，將成像分辨率提升了10% ~ 55%，清晰地呈現(xiàn)了線靶和標準無損檢測(NDT)試塊的精細結(jié)構(gòu)，充分證明了3D打印復(fù)雜結(jié)構(gòu)壓電陣元在提升器件性能方面的巨大潛力。
 

　　(a) 3D打印的8環(huán)陣列換能器 (b,c) 器件表現(xiàn)出優(yōu)異的脈沖回波響應(yīng)和帶寬(e-h) 在線靶和NDT試塊成像中，環(huán)陣列展現(xiàn)出比單陣元更高的分辨率
 

　　該研究成果近日在國際知名期刊《先進材料》(Advanced Materials)上發(fā)表。
 

　　西安交通大學(xué)任巍教授、莊建副教授、西安電子科技大學(xué)費春龍教授為論文共同通訊作者。西安交通大學(xué)鄭坤助理教授和西安電子科技大學(xué)全熠副教授為共同第一作者。參與該工作的還有西安交通大學(xué)連芩教授、王琛英教授、趙金燕副教授、趙一凡副教授、韓楓副教授等，合作者來自西安交通大學(xué)精密微納制造技術(shù)全國重點實驗室、電子陶瓷與器件教育部重點實驗室和西安電子科技大學(xué)集成電路學(xué)部。