Xiaoyu'Rayne'Zheng，工程學院機械工程助理教授，大分子創(chuàng)新研究所成員，他的團隊開發(fā)了3D打印壓電材料的方法，可以定制設(shè)計來轉(zhuǎn)換運動，沖擊和壓力從任何方向到電能。

“壓電材料將應變和應力轉(zhuǎn)化為電荷，”鄭解釋道。

壓電材料只有幾種形狀，由脆性晶體和陶瓷制成 - 這種材料需要一個潔凈的空間來制造。鄭的團隊已經(jīng)開發(fā)出一種3D打印這些材料的技術(shù)，因此它們不受形狀或尺寸的限制。該材料還可以被激活 - 為觸覺傳感，沖擊和振動監(jiān)測，能量收集和其他應用提供下一代智能基礎(chǔ)設(shè)施和智能材料。

釋放設(shè)計壓電的自由

壓電材料最初是在19世紀發(fā)現(xiàn)的。從那時起，制造技術(shù)的進步導致了潔凈室的需求和復雜的程序，該程序產(chǎn)生在加工后連接到電子器件的薄膜和塊。昂貴的工藝和材料固有的脆性限制了最大化材料潛力的能力。

Zheng的團隊開發(fā)了一種模型，允許他們操縱和設(shè)計任意壓電常數(shù)，從而通過一組3D可打印拓撲結(jié)構(gòu)，使材料響應來自任何方向的入射力和振動而產(chǎn)生電荷運動。與傳統(tǒng)的壓電材料不同，其中電荷運動由內(nèi)在晶體規(guī)定，新方法允許用戶規(guī)定和編程電壓響應，以便在任何方向上放大，反轉(zhuǎn)或抑制。

“我們開發(fā)了一種設(shè)計方法和印刷平臺，可以自由設(shè)計壓電材料的靈敏度和工作模式，”鄭說。“通過編程3D有源拓撲，您可以在材料中實現(xiàn)幾乎任何壓電系數(shù)的組合，并將它們用作傳感器和傳感器，這些傳感器和傳感器不僅靈活且強大，而且還通過電信號響應壓力，振動和沖擊。告訴這些材料在任何位置內(nèi)撞擊的位置，大小和方向。“

壓電，傳感器和傳感器的3D打印

當前壓電制造中的一個因素是使用的天然晶體。在原子水平上，原子的方向是固定的。鄭的團隊已經(jīng)生產(chǎn)出一種模仿晶體的替代品，但允許通過設(shè)計改變晶格取向。

“我們已經(jīng)合成了一類高靈敏度的壓電墨水，可以用紫外光雕刻成復雜的三維特征。墨水含有高濃度的壓電納米晶體，與紫外線敏感的凝膠結(jié)合，形成溶液 - 像熔化的乳狀混合物水晶 - 我們用高分辨率數(shù)字光3D打印機打印，“鄭說。

該團隊以一種測量人類頭發(fā)直徑分數(shù)的比例展示了3D打印材料。“我們可以定制架構(gòu)，使它們更靈活，并使用它們，例如，作為能量收集設(shè)備，將它們包裹在任意曲率周圍，”鄭說。“我們可以讓它們變厚，輕盈，堅硬或吸收能量。”

該材料的靈敏度比柔性壓電聚合物高5倍。材料的剛度和形狀可以調(diào)整和生產(chǎn)為類似紗布條的薄片，或者作為硬塊。“我們有一個團隊將它們變成可穿戴設(shè)備，比如戒指，鞋墊，并將它們安裝到拳擊手套中，我們將能夠記錄沖擊力并監(jiān)控用戶的健康狀況，”鄭說。

“實現(xiàn)所需機械，電氣和熱性能的能力將大大減少開發(fā)實際材料所需的時間和精力，”賓夕法尼亞州立大學研究副研究員兼弗吉尼亞??理工大學機械工程教授Shashank Priya說。

新的應用程序

該團隊印刷并展示了包裹在曲面上的智能材料，佩戴在手和手指上以轉(zhuǎn)換運動，并獲得機械能，但應用遠遠超出可穿戴設(shè)備和消費電子產(chǎn)品。Zheng認為該技術(shù)是機器人技術(shù)，能量收集，觸覺傳感和智能基礎(chǔ)設(shè)施的一次飛躍，其結(jié)構(gòu)完全由壓電材料制成，感應沖擊，振動和運動，并允許對其進行監(jiān)控和定位。該團隊已經(jīng)打印了一個小型智能橋，以展示其對于感應墜落沖擊位置及其大小的適用性，同時足夠強大以吸收沖擊能量。該團隊還展示了他們應用智能傳感器，將水下振動信號轉(zhuǎn)換為電壓。

“傳統(tǒng)上，如果你想監(jiān)控一個結(jié)構(gòu)的內(nèi)部強度，你需要在整個結(jié)構(gòu)上放置許多單獨的傳感器，每個傳感器都有許多引線和連接器，”鄭醫(yī)生，鄭博士說。和自然材料論文的第一作者。“在這里，結(jié)構(gòu)本身就是傳感器 - 它可以監(jiān)控自己。”