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1880年，法國(guó)物理學(xué)家居里兄弟發(fā)現(xiàn)，把重物發(fā)在石英晶體上，晶體某些表面會(huì)產(chǎn)生電荷，電荷量與壓力成比例。利用壓電材料的這些特性可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械振動(dòng)（聲波）和交流電的相互轉(zhuǎn)換。打火機(jī)的點(diǎn)火裝置，就是利用此原理進(jìn)行打火。后來壓電材料廣泛應(yīng)用于各種傳感器（如圖1）中，例如換能器、傳感器、驅(qū)動(dòng)器、聲納、手機(jī)和機(jī)器人等方面。

圖1  壓電陶瓷傳感器

壓電效應(yīng)的產(chǎn)生是晶胞中正負(fù)離子在外界條件作用下出現(xiàn)相對(duì)位移，使得正負(fù)電荷的中心不再重合，導(dǎo)致晶體發(fā)生宏觀極化。壓電電荷的流動(dòng)方向取決并且遵循其陶瓷和晶體材料的晶格排列，因此壓電陶瓷和壓電聚合物復(fù)合材料的壓電常數(shù)與其結(jié)構(gòu)組成有著密切的相關(guān)性。美國(guó)弗吉尼亞理工大學(xué)的鄭小雨（Rayne Zheng）教授及其實(shí)驗(yàn)室的博士團(tuán)隊(duì)使用3D打印的方式實(shí)現(xiàn)了新型壓電材料的制造，并且采用這種方法制備了具有高壓電特性的材料，實(shí)現(xiàn)電壓在任意方向可被放大、縮小和反向的特征。

圖2 高靈敏度壓電材料的合成以及3D打印制造

圖3  壓電材料3D打印制造（弗吉尼亞理工大學(xué)）

 這種壓電材料的制造方法為：首先采用功能化劑（三甲氧基甲基丙烯酸丙脂）共價(jià)接到PZT（鋯鈦酸鉛壓電陶瓷）顆粒上合成表面功能化的壓電納米粒子，表面通過硅氧烷鍵在表面留下自由的甲基丙烯酸酯（如圖2-a）；通過提高表面功能化水平，提高復(fù)合顆粒材料的壓電相應(yīng)水平，使之達(dá)到最大（如圖2-b）;最后通過面投影3D打印方式實(shí)現(xiàn)納米顆粒的粘接成型（如圖2-c和圖3）,最終得到需求的壓電材料結(jié)構(gòu)，其顯微鏡結(jié)構(gòu)（如圖2-d）。

基于此項(xiàng)技術(shù)，壓電新型材料在很多領(lǐng)域得到應(yīng)用

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多功能柔性可穿戴智能材料

通過電壓激活后能夠設(shè)計(jì)和制造出一系列新型智能材料。該三維材料具有任意形狀，任意內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，并且每一個(gè)節(jié)點(diǎn)、單元和材料本身任意部位均具有壓電感應(yīng)功能，無需任何附加傳感器即可實(shí)現(xiàn)電壓輸出。根據(jù)該材料的特性，開發(fā)出了柔性壓電材料（如圖4），為將來可穿戴柔性器件開發(fā)做好基礎(chǔ)準(zhǔn)備。

圖4  打印的柔性材料薄片（弗吉尼亞理工大學(xué)）

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自感應(yīng)吸能材料及護(hù)甲

由于這種智能材料各個(gè)部位均具有壓電感應(yīng)，其打印支撐的三維結(jié)構(gòu)將無需任何附加傳感器，并探測(cè)出任意位置的壓力或者震動(dòng)?，F(xiàn)有傳感技術(shù)和結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)當(dāng)中，需要在各個(gè)位置上布滿大量的壓電傳感器，并且對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，需要通過復(fù)雜算法優(yōu)化計(jì)算，最終來確定傳感器陣列的布置。然而，這種自感應(yīng)三維材料，則可以通過任意位置的壓電結(jié)構(gòu)材料，首.次解決了這項(xiàng)難題，并且通過智能橋梁結(jié)構(gòu)得到驗(yàn)證（圖5）。

圖5 智能橋梁檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

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矢量傳感領(lǐng)域

通過人工晶格設(shè)計(jì)制成的壓電超材料，可以很靈巧的實(shí)現(xiàn)矢量探測(cè)傳感功能，通過利用改型材料不同結(jié)構(gòu)有不同壓力靜電相應(yīng)的特性，設(shè)計(jì)如圖(6-b)所示的結(jié)構(gòu)，并對(duì)不同方向進(jìn)行壓力測(cè)試，可以實(shí)現(xiàn)三個(gè)方向的不同壓電系數(shù)的壓電材料制備。

圖6  力方向感知測(cè)試

國(guó)內(nèi)西安交通大學(xué)陳小明教授也在應(yīng)用3D打印技術(shù)研究壓電材料，其將壓電聚合物或陶瓷與光敏樹脂混合制備成復(fù)合材料，然后將復(fù)合材料利用深圳摩方（BMF）的3D打印設(shè)備S140進(jìn)行打印成型，從而制成相應(yīng)的壓電器件。除此之外，利用3D打印技術(shù)可以制備具有多種微結(jié)構(gòu)的器件（圖7），相比于傳統(tǒng)的微納加工工藝具有成型快，成本低，可定制化等優(yōu)點(diǎn)。打印的微結(jié)構(gòu)復(fù)合壓電器件相比于平模，極大的提高了壓電輸出，器件性能成倍增加。

圖7  3D打印的多種微結(jié)構(gòu)壓電器件圖

BMF的S140（圖8）設(shè)備打印光學(xué)精度達(dá)到10um，打印層厚10~40um，打印幅面最大能夠達(dá)到94mm(L)*52mm(W)*45mm(H)，而且其支持多種樹脂材料打印，例如韌性樹脂、耐高溫樹脂、生物醫(yī)用樹脂、柔性樹脂等等，能夠最大限度的滿足不同客戶的科研需求。

圖8   S140設(shè)備簡(jiǎn)圖

通過3D打印來實(shí)現(xiàn)各向異性和定向效應(yīng)的高響應(yīng)性壓電材料，有效促進(jìn)了3D傳感器材料方向的發(fā)展。通過這種材料，用戶可以為目標(biāo)應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計(jì)、放大和抑制等操作模式。這種新型結(jié)構(gòu)與功能的壓電材料突破了傳統(tǒng)傳感器整列部署的模式，通過3D打印制造方式為未來智能材料設(shè)計(jì)提供了一種思路。