3D打印技术制造的压电材料柔性薄片。
《自然?材料》杂志网络版1月21日发文讨论了压电材料从手机到音乐贺卡等方面的应用前景。美国弗吉尼亚理工大学工程学院机械工程助理教授、大分子创新研究院成员Xiaoyu 'Rayne' Zheng和他的团队开发出了3D打印压电材料的方法。采用这种方法可以对压电材料进行定制设计。Zheng解释说：“压电材料可以将应变和应力转化为电荷。”
一般情况下，由脆性晶体和陶瓷制成的压电材料只有若干特定形状，并且对制造场所的洁净程度有较高的要求。Zheng的团队开发出的3D打印方法，可以使压电材料的形状和尺寸不再受限制。他们开发的材料还可以被“激活”，作为新一代智能材料用于触觉感知、冲击和振动监测以及能量收集等。
压电材料最早发现于19世纪。随着制造业的不断进步，压电材料产品对洁净室的要求也越来越高。同时，生产加工与电子元件相连接的薄膜和模块的程序也越发复杂。昂贵的工艺和材料固有的脆性，限制了材料潜力的最大化。Zheng等开发了一个模型，能帮助他们任意调整和设计压电常数，并通过一组3D打印的拓扑结构，使材料能在任何方向的外力和振动作用下产生电荷运动。与传统压电材料不同，用新方法制造的压电材料的电荷运动并非是由固有晶体决定的，而可以在任何方向上被放大、反转或减弱。Zheng说：“我们开发了一种设计方法和3D打印平台，可以自由设计压电材料的灵敏度和工作模式。通过编程3D打印“活化”的拓扑结构,使用者可以将几乎任何类型的压电系数组合到同一个材料中。基于这类材料的传感器,不仅灵活和强大,还能将压力和振动等转化为电子信号,传达确切的位置、大小和方向信息。”
影响电流压电材料制造的重要因素之一是天然晶体。在原子水平上，原子的方向是固定的。Zheng等已经制造出了一种替代品，不仅可以模拟天然晶体，还能通过设计改变晶格方向。Zheng说：“我们合成了一种高敏感压电油墨，墨水中含有高度浓缩的压电纳米晶体和紫外线敏感的凝胶。我们将油墨注入高分辨率数字3D打印机，就能打印出复杂的模块了。此外，我们还能通过调整模块的结构，赋予其不同的功能。” 这种材料的灵敏度是柔性压电聚合物的5倍，可以制成可穿戴设备用于监测使用者的健康状况。
这个团队已经展示了一种包裹在曲面上的智能材料，但其应用范围远超出可穿戴设备和消费电子产品的范畴。Zheng认为，这项技术是机器人技术、能量收集技术和触觉感知技术等高新技术的一次巨大飞跃。该团队还展示了3D打印的压电材料产品在冲技能吸收和振动信号转换等方面的应用。论文第一作者、博士生Huachen Cui说：“为了监控材料的内部结构，往往需要加装多个传感器和连接器。而我们用3D打印技术制造的压电材料本身就是一个传感器，它可以进行自我监测。”
编译：雷鑫宇 审稿：阿淼
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