杨得锁&胡登卫AFM综述：压电材料的增材制造

【研究背景】

人工智能和移动电子技术的快速发展，促使半导体制造技术不断完善，功能不断扩大，提高了能源效率，缩小了设备规模，导致了小电子技术的发展。这些微型化、低功耗和便携式设备的发展要求电池能量密度的不断提高。然而，传统电池存在寿命短、储能能力有限、效率低等缺点。因此，从周围环境中收集能量到电力电子设备，延长其使用寿命，开发不需要更换电源的自供电设备，成为众多专家研究的热点。压电材料是实现机械能与电能相互转换的功能材料，增材制造技术以其出色的工艺灵活性、良好的几何可控性以及无环境条件限制等优点，为新型压电材料的个性设计及快速成型提供了无限可能。

【成果简介】

近日，宝鸡文理学院杨得锁教授与胡登卫教授等人着眼于近年来增材制造压电材料的最新进展，系统性地分析了各种增材制造压电材料的特点以及不同压电材料的浆料制备方法，讨论了不同的增材制造工艺对于压电材料器件制作产生的技术影响规律，提出了基于增材制造技术提高压电传感效率、改善器件精密度、增大机电响应度等来改善压电材料器件性能的思路，预测了增材制造技术在未来压电材料器件制作方面的发展趋势和应用前景，旨在为未来制作高性能压电材料器件提供新思路。该文章近日以题为“Additive Manufacturing of Piezoelectric Materials”发表在知名期刊Adv. Funct. Mater.上。

【图文导读】

图一、加法制造和减法制造

图二、发展前景

图三、增材制造、压电材料和压电器件的增材制造

图四、增材制造的分类

压电器件的增材制造工艺

增材制造技术作为一种新兴的前沿制造方法，推动了压电器件的发展，从微型器件的一步成型到大规模器件，提高了压电器件的性能。其主要分为基于点对线的制造方法、基于线到面的制造方法和基于平面到三维部分的制造方法。

图五、直接墨水书写

图六、溶剂蒸发辅助3D打印

图七、粘合剂喷射

图八、熔融沉积成型

图九、电极化辅助增材制造

图十、近场静电纺丝

图十一、无挤压成型

图十二、光固化印刷

图十三、选择性激光烧结

压电材料的增材制造

可印刷油墨的生产是增材制造的主要步骤，它直接影响压电器件的性能。典型的可印刷油墨组分包括填料、分散剂、溶剂和粘合剂。这些组件的选择在很大程度上取决于印刷方法。墨水是设备增材制造的基础，而且成分复杂。因此，研究印刷油墨的组成是增材制造必不可少的部分。一般的浆料是依次引入的无机陶瓷材料，有机聚合物材料和复合材料。

图十四、刚性压电陶瓷

图十五、压电聚合物材料

图十六、压电复合材料

图十七、压电材料增材制造的优势

图十八、增材制造压电材料的发展前景

【结论展望】

目前，压电材料增材制造的研究主要集中在油墨上。然而，适当的压电灵敏度的设计可以改善该方法的电子集成以增强机电响应。很少有人研究过这些困难的问题。对于压电器件的增材制造，每种组分的浆料相容性也是一个挑战性的问题。此外，如何有效地改善3D设计中的压电响应以及如何操纵和设计任意压电常数仍需要进一步研究。增材制造技术的优点是能够制造任意形状和尺寸而不受工作条件的限制，并且期望提供一种用于集成印刷压电器件和电子器件的有效方法。例如，可以通过集成印刷压电能量收集器和压电纳米发电机来开发自供电能量系统，以实现人类动能和环境机械能的收集和存储。 通过将压电纳米器件的增材制造应用于可穿戴电子产品并将其附着到人体，我们可以更准确地测量人体血压、心电图和热量消耗。无线网络可以实时将信息传输到因特网和IoT，并通过云计算提供合理的健康建议。随着印刷技术和压电材料的不断发展，具有长期耐久性，良好的安全性、高能量、高密度和高功率的附加压电器件有望在更广泛的领域中使用。

文献链接：Additive Manufacturing of Piezoelectric Materials(Adv. Funct. Mater.,2020, DOI: 10.1002/adfm.202005141)

团队简介：

胡登卫，工学博士，教授，硕士研究生导师，宝鸡文理学院化学化工学院副院长，铁电功能材料工程（技术）研究中心负责人，陕西省省级人才，宝鸡市有突出贡献拔尖人才，宝鸡文理学院首批“横渠学者”。近年来主持或参与过中国国家自然科学青年基金项目、JSPS（日本学术振兴会）项目、JST（日本科学枝术振兴机构）项目、陕西省滚球体育 工业攻关项目、陕西省教育厅项目以及区域横向课题等近20项，已在Nano Energy、Chemistry of Materials、Journal of Materials Chemistry A、Inorganic Chemistry、Crystal Growth & Design和Journal of the European Ceramic Society等国内外学术刊物上发表研究论文50余篇，参加国内外学术会议并发表30余次，申请国家专利40余件。目前研究方向主要为：1）取向性纳米复合无铅压电材料、柔性压电发电与传感器件的开发及应用；2）层状、钙钛矿材料的晶体结构、异质界面纳米结构、原位拓扑化学转变机制等；3）孔陶瓷材料、柔性纳米复合储能薄膜的开发及应用；4）新型锰锌、镍锌铁氧体磁性材料的开发及应用。

杨得锁，博士，教授。1984年7月在西北大学获学士学位，1987年7月在兵器部204研究所获理学硕士学位，2004年6月在兰州大学化学系获理学博士学位。2016年获“陕西省师德先进个人（标兵）”；2017年获“宝鸡文理学院教学名师”称号;2018年获“陕西省普通高等学校教学名师”称号。主持省级及以上各类教学科研项目6项；在国内外著名期刊上发表教学科研论文40余篇。主要研究方向为：1）有机合成新反应研究；2、有机荧光分子探针的合成研究。

本文由大兵哥供稿。

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