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3D列印超材料骨架的無鉛壓電覆合材料用於機電能量轉換

釋出時間▩╃◕╃:2022-08-02      點選次數▩╃◕╃:42



超材料是指一類具有天然材料所不具備的超常物理特性的人造複合結構▩•✘↟·。其優異效能來自人工結構↟✘╃,而不是材料本身▩•✘↟·。超材料突破了傳統的設計原則↟✘╃,透過物理尺度上的有序結構設計獲得了優異的效能▩•✘↟·。超材料的優異效能引起了各個領域的關注↟✘╃,促使其在廣泛應用於隱形斗篷◕₪·☁☁、零折射率材料◕₪·☁☁、等離子感測器◕₪·☁☁、能量收集器等領域▩•✘↟·。


近期↟✘╃,來自南方科技大學的汪宏教授團隊以超材料為模板設計了一種陶瓷-聚合物複合材料▩•✘↟·。該團隊首先利用高精度3D列印實現了超材料模板↟✘╃,再透過溶膠-凝膠犧牲模板法制備出了無鉛壓電陶瓷骨架↟✘╃,將聚二甲基矽氧烷(PDMS)澆築在陶瓷骨架上形成了一種獨.特的三維互連的壓電陶瓷-聚合物複合材料▩•✘↟·。這種壓電超材料具有高機電響應和力學靈活性▩•✘↟·。這種三維互連結構的複合材料在人體運動監測◕₪·☁☁、人造肌肉和皮膚中作為感測和自發電器件具有潛在的應用▩•✘↟·。相關成果以“Lead-free piezoelectric composite based on a metamaterial for electromechanical energy conversion"為題發表在《Advanced Materials Technologies》期刊上▩•✘↟·。

該研究使用面投影微立體光刻技術(nanoArch S140↟✘╃,摩方精密) 列印樹脂結構↟✘╃,並以該結構作為超材料模板▩•✘↟·。超材料模板尺寸▩╃◕╃:40 mm×40 mm×10 mm↟✘╃,列印層厚設定為10 μm↟✘╃,並透過最小微單元晶格調控實現定製化列印▩•✘↟·。隨後透過模板法制備無鉛壓電陶瓷骨架▩╃◕╃:為了使模板表面附著更多的鈦酸鋇溶膠↟✘╃,該團隊設計透過表面處理法使模板表面吸附一層厚厚的聚多巴胺層↟✘╃,之後將附著聚多巴胺的超材料浸泡在鈦酸鋇溶膠中一段時間再取出↟✘╃,最後經過風乾熟化煅燒的處理獲得最終的陶瓷骨架▩•✘↟·。

用聚二氧機矽氧烷封裝無鉛壓電陶瓷骨架↟✘╃,得到了一種具有超材料結構的壓電覆合材料▩•✘↟·。鈦酸鋇超材料-PDMS複合材料擁有良好的力學特性↟✘╃,在相同鈦酸鋇體積下其壓電極化程度也比無序混亂分佈的鈦酸鋇-PDMS複合材料高許多▩•✘↟·。鈦酸鋇超材料-PDMS複合材料具有高靈敏度↟✘╃,可以應用於不同的感測器↟✘╃,如運動計步◕₪·☁☁、重量感應和心跳監測等▩•✘↟·。我們相信↟✘╃,這項研究將為開發用於能量採集器◕₪·☁☁、感測器和人造皮膚等機電裝置的高效能柔性材料提供了一種新策略▩•✘↟·。

1 面投影微立體光刻技術示意圖

圖2 面投影微立體光刻技術列印樹脂結構作為超材料模板

圖3 面投影微立體光刻技術列印的超材料表面附著聚多巴胺層的製備


圖4 溶膠—凝膠法制備超材料骨架及PDMS封裝製備壓電覆合材料


圖5 鈦酸鋇超材料-PDMS複合材料的壓電效能測試


圖6 鈦酸鋇超材料-PDMS複合材料應用於可穿戴裝置

圖7 鈦酸鋇超材料-PDMS複合材料應用於能量收集






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