楊得鎖&胡登衛AFM綜述：壓電材料的增材制造

【研究背景】

人工智能和移動電子技術的快速發展，促使半導體制造技術不斷完善，功能不斷擴大，提高了能源效率，縮小了設備規模，導致了小電子技術的發展。這些微型化、低功耗和便攜式設備的發展要求電池能量密度的不斷提高。然而，傳統電池存在壽命短、儲能能力有限、效率低等缺點。因此，從周圍環境中收集能量到電力電子設備，延長其使用壽命，開發不需要更換電源的自供電設備，成為眾多專家研究的熱點。壓電材料是實現機械能與電能相互轉換的功能材料，增材制造技術以其出色的工藝靈活性、良好的幾何可控性以及無環境條件限制等優點，為新型壓電材料的個性設計及快速成型提供了無限可能。

【成果簡介】

近日，寶雞文理學院楊得鎖教授與胡登衛教授等人著眼于近年來增材制造壓電材料的最新進展，系統性地分析了各種增材制造壓電材料的特點以及不同壓電材料的漿料制備方法，討論了不同的增材制造工藝對于壓電材料器件制作產生的技術影響規律，提出了基于增材制造技術提高壓電傳感效率、改善器件精密度、增大機電響應度等來改善壓電材料器件性能的思路，預測了增材制造技術在未來壓電材料器件制作方面的發展趨勢和應用前景，旨在為未來制作高性能壓電材料器件提供新思路。該文章近日以題為“Additive Manufacturing of Piezoelectric Materials”發表在知名期刊Adv. Funct. Mater.上。

【圖文導讀】

圖一、加法制造和減法制造

圖二、發展前景

圖三、增材制造、壓電材料和壓電器件的增材制造

圖四、增材制造的分類

壓電器件的增材制造工藝

增材制造技術作為一種新興的前沿制造方法，推動了壓電器件的發展，從微型器件的一步成型到大規模器件，提高了壓電器件的性能。其主要分為基于點對線的制造方法、基于線到面的制造方法和基于平面到三維部分的制造方法。

圖五、直接墨水書寫

圖六、溶劑蒸發輔助3D打印

圖七、粘合劑噴射

圖八、熔融沉積成型

圖九、電極化輔助增材制造

圖十、近場靜電紡絲

圖十一、無擠壓成型

圖十二、光固化印刷

圖十三、選擇性激光燒結

壓電材料的增材制造

可印刷油墨的生產是增材制造的主要步驟，它直接影響壓電器件的性能。典型的可印刷油墨組分包括填料、分散劑、溶劑和粘合劑。這些組件的選擇在很大程度上取決于印刷方法。墨水是設備增材制造的基礎，而且成分復雜。因此，研究印刷油墨的組成是增材制造必不可少的部分。一般的漿料是依次引入的無機陶瓷材料，有機聚合物材料和復合材料。

圖十四、剛性壓電陶瓷

圖十五、壓電聚合物材料

圖十六、壓電復合材料

圖十七、壓電材料增材制造的優勢

圖十八、增材制造壓電材料的發展前景

【結論展望】

目前，壓電材料增材制造的研究主要集中在油墨上。然而，適當的壓電靈敏度的設計可以改善該方法的電子集成以增強機電響應。很少有人研究過這些困難的問題。對于壓電器件的增材制造，每種組分的漿料相容性也是一個挑戰性的問題。此外，如何有效地改善3D設計中的壓電響應以及如何操縱和設計任意壓電常數仍需要進一步研究。增材制造技術的優點是能夠制造任意形狀和尺寸而不受工作條件的限制，并且期望提供一種用于集成印刷壓電器件和電子器件的有效方法。例如，可以通過集成印刷壓電能量收集器和壓電納米發電機來開發自供電能量系統，以實現人類動能和環境機械能的收集和存儲。 通過將壓電納米器件的增材制造應用于可穿戴電子產品并將其附著到人體，我們可以更準確地測量人體血壓、心電圖和熱量消耗。無線網絡可以實時將信息傳輸到因特網和IoT，并通過云計算提供合理的健康建議。隨著印刷技術和壓電材料的不斷發展，具有長期耐久性，良好的安全性、高能量、高密度和高功率的附加壓電器件有望在更廣泛的領域中使用。

文獻鏈接：Additive Manufacturing of Piezoelectric Materials (Adv. Funct. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adfm.202005141)

團隊簡介：

胡登衛，工學博士，教授，碩士研究生導師，寶雞文理學院化學化工學院副院長，鐵電功能材料工程（技術）研究中心負責人，陜西省省級人才，寶雞市有突出貢獻拔尖人才，寶雞文理學院首批“橫渠學者”。近年來主持或參與過中國國家自然科學青年基金項目、JSPS（日本學術振興會）項目、JST（日本科學枝術振興機構）項目、陜西省科技工業攻關項目、陜西省教育廳項目以及區域橫向課題等近20項，已在Nano Energy、Chemistry of Materials、Journal of Materials Chemistry A、Inorganic Chemistry、Crystal Growth & Design和Journal of the European Ceramic Society等國內外學術刊物上發表研究論文50余篇，參加國內外學術會議并發表30余次，申請國家專利40余件。目前研究方向主要為：1）取向性納米復合無鉛壓電材料、柔性壓電發電與傳感器件的開發及應用；2）層狀、鈣鈦礦材料的晶體結構、異質界面納米結構、原位拓撲化學轉變機制等；3）孔陶瓷材料、柔性納米復合儲能薄膜的開發及應用；4）新型錳鋅、鎳鋅鐵氧體磁性材料的開發及應用。

楊得鎖，博士，教授。1984年7月在西北大學獲學士學位，1987年7月在兵器部204研究所獲理學碩士學位，2004年6月在蘭州大學化學系獲理學博士學位。2016年獲“陜西省師德先進個人（標兵）”；2017年獲“寶雞文理學院教學名師”稱號;2018年獲“陜西省普通高等學校教學名師”稱號。主持省級及以上各類教學科研項目6項；在國內外著名期刊上發表教學科研論文40余篇。主要研究方向為：1）有機合成新反應研究；2、有機熒光分子探針的合成研究。

本文由大兵哥供稿。

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