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            高粘度壓電陶瓷漿料的壓電-氣動微噴射打印

            3D打印前沿
            2024
            02/22
            15:35
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            供稿人:馬偉剛、連芩
            供稿單位:西安交通大學機械制造系統工程國家重點實驗室
            來源:中國機械工程學會增材制造技術(3D打。┓謺

            壓電陶瓷材料為聲學、自供電傳感器、生物醫學設備和微電子等領域的現代工程應用提供了基本組件的基礎,隨著各領域對壓電器件需求的不斷深入和拓展,對其結構多樣性的要求越來越高。由于3D打印技術能夠制造復雜的3D結構,為個性化電子設備提供了解決方案。然而,隨著陶瓷粉末尺寸的減小和固體含量的增加,由于陶瓷漿料的高粘度、長曝光時間和嚴重的散射,3D打印技術受到了限制。

            針對以上問題,北京航空航天大學聯合清華大學、北京科技大學首次采用由壓電堆和氣動泵混合驅動的壓電-氣動微射流(PPMJ)系統,成功打印出BTO壓電陶瓷,PPMJ打印系統如圖1所示。以PPMJ打印為基礎,通過改善光固化陶瓷漿料,優化打印參數及燒結工藝,最終基于0.2mm噴嘴實現了50vol%高固相含量陶瓷漿料的打印;谠摷夹g可以實現從982mPs·s到383,135mPs·s寬粘度范圍的打。ü毯28—50vol%),燒結致密度接近于同材質干壓成型的樣品,展現出非常優越的打印性能及應用便利性,有助于科研人員開展與陶瓷增材制造配方、工藝等相關的研究工作。


            圖1 混合PPMJ系統結構設計及工作原理圖

            為了說明PPMJ系統在大粘度范圍內的可打印性,在自配制樹脂的基礎上制備了不同固含量(28、40、46、50 vol %)的漿料。圖2(a)顯示了黏度隨剪切速率的變化趨勢,所有漿體都表現出剪切變稀的特征,且隨著固相含量的增加,料漿粘度明顯增大。不同料漿固化厚度隨暴露時間的變化趨勢如圖2(b)所示,隨著曝光時間的增加,固化厚度近似呈現對數增長趨勢。此外,固相含量的增加會降低料漿的固化能力,這是由于陶瓷顆粒的光散射效應,固含量越高,光散射現象越嚴重。對40vol%的蜂窩結構的素坯在不同溫度下(1250℃、1300℃、1350℃、1400℃)進行了燒結,如圖3(a)所示,隨著燒結溫度的升高,燒結試樣的顏色逐漸加深,并對不同固相含量(28vol%、40 vol%、46 vol%、50 vol%)的蜂窩結構素坯進行了燒結,如圖3(b)所示,隨著固相含量的增加,燒結件的輪廓更加清晰。


            圖2 不同固含量漿料的固化及流變性能


            圖3 不同燒結溫度、不同固含量陶瓷漿料打印件的成型效果對比

            該研究所制備出的BTO陶瓷具有優異的介電性能(εr = 572.7±1.1,tanδ = 0.0362±0.0001)和壓電性能(d33 = 133±1.3),致密度高達95±0.4%,這表明PPMJ是一種很有前途的3D打印技術,能夠制造出高固相含量和復雜結構的壓電材料,用于功能陶瓷部件的應用。

            參考文獻:
            SUN C C, CHEN J Q, YAN S H, et al. Piezoelectric-pneumatic micro-jet printing of high viscous piezoelectric slurry [J]. Addit Manuf, 2023, 66.


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