北航袁松梅教授在高粘度、高固含量壓電陶瓷3D打印領(lǐng)域獲進(jìn)展

近日，北京航空航天大學(xué)機械學(xué)院袁松梅教授課題組吉印通清華大學(xué)、北京科技大學(xué)、佛山（華南）新材料研究院在高粘度、高固含量壓電陶瓷3D打印領(lǐng)域取得了新進(jìn)展。相關(guān)工作以“Piezoelectric-pneumatic micro-jet printing of high viscous piezoelectric slurry”為題，于近期發(fā)表在《Additive Manufacturing》期刊上。該研究獲國家自然基金（No.*177*304）、廣東省基礎與應用基礎研究基金（No.2020A1*1*110220）等項目資助。機械學(xué)院博士生孫超超為文章第一作者，機械學(xué)院袁松梅教授和清華大學(xué)材料學(xué)院褚祥誠副研究員為共同通訊作者，北京航空航天大學(xué)為該論文的第一完成單位。

壓電陶瓷材料在驅動(dòng)和傳感領(lǐng)域具有廣泛應用，其技術(shù)進(jìn)步推動(dòng)聲學(xué)器件研發(fā)和應用的迅速發(fā)展。隨著(zhù)各領(lǐng)域對壓電器件需求的不斷深入和拓展，對其結構多樣性的要求越來(lái)越高，3D打印技術(shù)逐漸開(kāi)始發(fā)揮重要作用。3D打印壓電陶瓷具有制造工藝周期短、成本低、可以獲得復雜形狀或微結構等優(yōu)勢，越來(lái)越受到關(guān)注。目前，增材制造技術(shù)在陶瓷領(lǐng)域的發(fā)展受限于從材料、工藝、設備到應用端整體方案的解決能力，因此現有DLP、SLA等增材制造方法對陶瓷漿料固含量、粘度、粒度、分散性等均提出較高要求，局限了陶瓷增材制造技術(shù)的產(chǎn)業(yè)應用。本研究主要針對上述難點(diǎn)，提出一種幾乎適應所有電子陶瓷/結構陶瓷/骨材料/生物材料等漿料類(lèi)/墨水類(lèi)材質(zhì)的非接觸、高精度直寫(xiě)3D打印工藝手段，在壓電材料打印方面取得有效驗證。

隨著(zhù)陶瓷顆粒直徑的減小及固含量的增加，陶瓷漿料的粘度會(huì )大幅度增加，進(jìn)而導致無(wú)法打印或打印性能差等一系列問(wèn)題。為解決這一問(wèn)題，研究團隊提出了壓電-氣動(dòng)微噴3D打印技術(shù)，通過(guò)改善光固化陶瓷漿料，優(yōu)化打印參數及燒結工藝，最終基于0.2mm噴嘴實(shí)現了*0vol%高固含量陶瓷漿料的打印?；谠摷夹g(shù)可以實(shí)現從**2mPs·s到3*3,13*mPs·s寬粘度范圍的打?。ü毯?*—*0vol%），燒結致密度接近于同材質(zhì)干壓成型的樣品，展現出非常優(yōu)越的打印性能及應用便利性，有助于科研人員開(kāi)展與陶瓷增材制造配方、工藝等相關(guān)的研究工作。

PPMJ混合打印系統

不同燒結溫度、不同固含量陶瓷漿料打印件的成型效果對比

該研究中，團隊對比了三種典型樹(shù)脂及四種常用分散劑的配方，通過(guò)比較每種漿料的流變特性，獲得了每種分散劑針對不同樹(shù)脂的分散能力規律；提出用電鏡觀(guān)測手段實(shí)現對分散劑最佳含量的直觀(guān)表征方法，確定了壓電陶瓷漿料配制過(guò)程中分散劑的最佳含量，極大降低了陶瓷漿料粘度。此外，研究中通過(guò)對比PPMJ打印樣件與傳統干壓樣品，發(fā)現該打印技術(shù)所打印件的樣件性能與傳統干壓式相近，表明PPMJ可以用于壓電陶瓷打??；同時(shí)通過(guò)打印蜂窩狀結構實(shí)現了復合材料的制備。以上工作表明，該技術(shù)可以廣泛應用在壓電驅動(dòng)器和傳感器等領(lǐng)域。

來(lái)源：北京航空航天大學(xué)

論文鏈接

021yin.com/science/article/abs/pii/S2214*60423000*2*