西安交通大学科研团队与广东工业大学科研团队合作在3D打印织构压电陶瓷方面取得新进展-金属3D打印工厂

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西安交通大学科研团队与广东工业大学科研团队合作在3D打印织构压电陶瓷方面取得新进展

| 3DScienceValley · 2023/03/07

以下文章来源于JAD电介质学术交流

西安交通大学科研团队与广东工业大学科研团队合作在3D打印织构压电陶瓷方面取得新进展

 研究背景

高性能压电材料是驱动、传感、能量收集、换能器等压电器件的核心材料,在高精度驱动器、无损检测、俘能、探测制导等众多领域有着广泛应用前景。随着器件应用的快速发展,不仅对压电材料综合性能的要求越来越高,同时对具有异形结构压电材料的需求也日益增多,传统工艺制备的压电陶瓷已经逐渐不能满足新的应用需求。增材制造技术(也称3D打印技术)即快速成型技术的一种,与传统陶瓷的制备工艺相比,具有高效率、一体化、高精度等特点,近年来在先进陶瓷制备及成型领域显示了突出的优势和巨大的发展潜力。在此背景下,如何将3D打印技术的复杂结构成形能力有效应用于高性能压电陶瓷材料的制备日益受到研究人员的关注。

西安交通大学科研团队与广东工业大学科研团队合作在3D打印织构压电陶瓷方面取得新进展

 论文摘要

西安交通大学任巍教授、庄建副教授团队与广东工业大学伍尚华教授团队合作,提出将3D打印光固化成形技术应用于压电陶瓷的织构化,并验证了其可行性。织构化工艺中的重要环节在于实现模板在基体中的定向排列,研究发现,光固化成型中层间浆料的刮平过程类比于传统流延工艺中刮刀与基带的相对运动,可有效地为模板的定向排列提供剪切力场。在本论文中,以<001>取向的PMN-PT基织构陶瓷为例,详细介绍了3D打印光固化技术制备织构压电陶瓷的工艺过程。在提升压电系数d33的同时,改善了大信号压电系数d33*的温度稳定性。相比于传统的流延工艺,3D打印光固化成型技术具有形状设计自由、一次成型的优势,这为高性能织构压电陶瓷的研究提供了一种值得借鉴的新思路。

相关研究成果以“3D printing orientation controlled PMN-PT piezoelectric ceramics”为题发表在Journal of the European Ceramic Society期刊上。西安交通大学博士生郑坤和广东工业大学丁达飞博士为论文的共同第一作者,西安交通大学任巍教授、庄建副教授和广东工业大学伍尚华教授为共同通讯作者,参与该工作的还包括西安电子科技大学与捷成科技公司等单位相关研究团队。研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的大力支持。

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 主要研究内容

西安交通大学科研团队与广东工业大学科研团队合作在3D打印织构压电陶瓷方面取得新进展

图1. (a) 3D打印光固化成型系统;(b-d) 3D打印光固化制备织构陶瓷的工艺步骤;(e) 与工艺步骤相对应的模板和基体的状态示意图

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图2. (a) 模板和(b) Sm掺杂PMN-PT粉体的XRD图谱;(c) 模板和(d) PMN-PT粉体的SEM图;(e) 3D打印生坯样品的照片;(f) 3D打印生坯样品截面的SEM图

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图3. 3D打印织构陶瓷和非织构陶瓷的(a) 单极应变曲线;(b) 逆压电系数d33*随温度的变化;(c) 归一化的逆压电系数d33*T/d33*RT随温度的变化曲线

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图4. 3D打印压电陶瓷块体的压电系数d33


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