柔性壓電陶瓷復合材料的機械和壓電性能的協同提升及其高精度制備

北京理工大學李營團隊研究了一種新型的柔性壓電陶瓷復合材料 (FPCCs)，旨在解決 FPCCs 制備精度低和難以同時提升壓電性能和柔韌性的問題。首先通過配置柔性樹脂基體和采用表面功能化處理壓電陶瓷顆粒，實現了 FPCCs 柔韌性和壓電性能的協同提升。其次，團隊利用nanoArch® S140（精度：10 μm）制備了體心立方(BCC)結構，添加了不影響壓電性能的光吸收劑 TiO2，顯著提高了3D打印精度。最終制備的 FPCCs 具有高精度、高柔韌性和良好的壓電性能，為 FPCCs 的多功能應用拓展了新的研究方向。

相關相關研究以“Synergistic improvement of mechanical and piezoelectric properties of the flexible piezoelectric ceramic composite and its high-precision preparation”為題發表在學術期刊《Ceramics International》上。

圖1. PZT-5H表面功能化處理示意圖。

圖2. (a)由于打印過程中過度的紫外線擴散而導致的Rex圖。(b)Rex定義示意圖。

圖3. 3D打印制造工藝的原理圖。

圖4. 極化過程圖。

圖5. PZT-5H和PZT-5H（TMSPM）粒子

圖6. (a)二氧化鈦納米粒子散射和紫外光吸收示意圖。(b)在不添加吸光劑和添加吸光劑二氧化鈦的條件下的樹脂吸光度測試結果。(c)在4s的曝光時間條件下，5 vol% PZT-5H（TMSPM）漿液的固化深度和超寬。(d)在暴露時間為4s的光照強度下，5 vol% PZT-5H（TMSPM）漿液和添加0.06 wt%二氧化鈦的固化厚度和超寬度的變化。(e)在78.8 mW/cm2的光強下，不添加二氧化鈦和添加0.06 wt%二氧化鈦的5 vol% PZT-5H（TMSPM）漿料的固化厚度和多余寬度隨時間的變化。(f)在100rmp和150rmp轉速下，不同二氧化鈦含量的5 vol% PZT-5H（TMSPM）漿料的粘度比較。

圖7. 不同二氧化鈦添加量下體心立方結構的光學和電子顯微鏡圖像。(a)體心立方結構的設計尺寸。(b)用0.06 wt%含tio2的漿液進行3D打印制備的結構的電子顯微鏡圖像。(c)由不添加二氧化鈦的漿液和二氧化鈦含量為0.02 wt%、0.04 wt%、0.06 wt%和0.08 wt%的泥漿制備的體心立方結構樣品的光學和單細胞電子顯微鏡圖像。

圖8. 機械性能示意圖（在拉伸速率為500 mm/min時，壓縮速率為1 mm/min，二氧化鈦含量為0.06 wt%)。(a)使用5 vol% PZT-5H（TMSPM）漿料制備的柔性壓電陶瓷復合材料的拉伸斷裂圖像和20次循環拉伸試驗圖。(b)使用5 vol% PZT-5H（TMSPM）漿料制備的柔性壓電陶瓷復合材料的壓縮圖像和20個循環壓縮圖。(c)柔性壓電陶瓷復合材料的拉伸斷裂圖。(d)柔性壓電陶瓷復合材料的壓縮圖。(e)體心立方三維結構的性能顯示。(f)使用FPCCs的3D打印制備的體心立方晶格結構（體積分數為40 %）的20個循環壓縮圖。

圖9. 在5 vol% PZT-5H（TMSPM）條件下，不同極化時間、極化溫度和極化電壓下的FPCCs中d33的(a)、(b)和(c)變化。(d)添加二氧化鈦對d33的影響。

圖10. 在25°C下，具有5 vol% PZT-5H（TMSPM）的FPCCs的介電常數和介電損耗的頻率依賴性。