【儀表網 研發快訊】壓電器件是現代醫療診斷、工業無損檢測和智能傳感系統的“心臟”，其中關鍵壓電材料的高性能化與復雜結構成形能力對于實際應用都至關重要。與傳統制備方法(如模具成型、機械加工)相比，3D打印技術在高精度陣列、曲面結構等復雜/異形結構壓電陶瓷元件的制備方面已經逐漸展現出了成型速度快、設計靈活度高等突出優勢。然而3D打印壓電陶瓷致密化困難，電學性能與傳統方法制備的陶瓷相比仍有差距，導致3D打印壓電器件的性能受到限制，很難滿足實際的工程應用需求。具體來講，打通一條從“打印成型”、“燒結致密”到“器件集成”的完整技術鏈路，需要解決以下幾個難題：首先將高折射率的壓電陶瓷粉體(尤其是鉛基粉體)引入光敏樹脂中，會嚴重影響UV光的固化過程，極易導致固化性能差、分層開裂等問題，進而影響最終燒結陶瓷的性能；其次，生坯的后續燒結致密工藝的難點在于打印引入的微小缺陷可能導致燒結過程中的致密化不充分等問題，使陶瓷內部出現較多孔隙；最后，在器件應用環節，如何合理設計與材料匹配的器件結構，利用高性能和復雜/異形結構陶瓷制備出高性能的壓電器件，并驗證其在實際應用中的優勢，也是一大難題。這些難題并非孤立存在，而是環環相扣。如何建立和實現從材料、打印到器件的一體化設計與制造，是當前3D打印壓電陶瓷從實驗室樣品走向實際應用必須跨越的關鍵鴻溝。
針對上述問題，西安交通大學蔣莊德院士團隊與西安電子科技大學楊銀堂教授團隊提出了基于3D打印技術的“壓電材料-復雜結構-器件應用”全鏈條設計策略(圖1)，成功利用數字光處理技術(DLP)制造了高性能Sm摻雜PMN-PT(Sm-PMN-PT)壓電陶瓷，實現了復雜幾何結構成形，并在超聲換能器應用上凸顯了優勢。優化粉末粒徑后，固化性能顯著提升，打印陶瓷壓電系數d??高達1285 pC/N，進一步設計并制備了傳統方法難以實現的8元環形陣列超聲換能器，展現60%大帶寬、952 mV峰峰值電壓及優異的成像分辨率。該成果有望為應用于醫療診斷和無損檢測領域的壓電器件定制化設計開辟新途徑。
圖1 3D打印壓電陶瓷與換能器設計策略
鉛基壓電陶瓷粉體具有高折射率，會對打印固化過程中的紫外光造成嚴重的散射，導致漿料固化不充分，甚至打印失敗。研究團隊采用有限元仿真(FEA)結合Jacob's方程，系統研究了粉體粒徑對光散射和固化深度的影響。研究發現，將粉體粒徑從傳統工藝常用的0.6 μm優化至1.0 ~ 1.5 μm，可顯著降低光散射，大幅提升固化深度和打印質量。基于粒徑優化和固化性能的改善避免了打印件的分層與開裂，并成功制備出傳統工藝難以實現的8陣元超聲換能器環形陣列等復雜/異形結構壓電陶瓷，邊緣清晰，結構完整。
(a) 不同粒徑粉體的光散射仿真 (b) 不同粒徑粉體漿料的固化性能實驗驗證(d-f) 成功打印的3陣元、8陣元環形陣列和多種復雜結構陶瓷，展示了卓越的成型能力
在解決了打印成型的難題后，研究團隊通過精細調控脫脂與燒結工藝，獲得了致密度高達95%以上、無裂紋的壓電陶瓷。隨后，對粉體粒徑和燒結工藝進行了系統優化，研究了3D打印壓電陶瓷的微觀結構和電學性能。采用平均粒徑為1.0 μm的粉體，在1235 ℃下燒結制備的3D打印Sm-PMN-PT陶瓷展現出較高的壓電性能，其壓電系數d??高達1285 pC/N。
(b) 優異的鐵電與壓電應變性能 (c) 材料微觀結構與性能優化(d) 本工作d??值與已報道3D打印壓電陶瓷的性能對比
理論的突破最終要服務于實際應用。研究團隊利用3D打印技術，成功制造出結構復雜的8陣元環形陣列超聲換能器。性能測試表明，該換能器具有高達 60%的-6dB帶寬(BW)和952 mV的脈沖回波峰峰值(Vp-p)，綜合性能優于其他3D打印換能器。在成像實驗中，與單陣元換能器相比，該環陣換能器通過動態聚焦，將成像分辨率提升了10% ~ 55%，清晰地呈現了線靶和標準無損檢測(NDT)試塊的精細結構，充分證明了3D打印復雜結構壓電陣元在提升器件性能方面的巨大潛力。
(a) 3D打印的8環陣列換能器 (b,c) 器件表現出優異的脈沖回波響應和帶寬(e-h) 在線靶和NDT試塊成像中，環陣列展現出比單陣元更高的分辨率
該研究成果近日在國際知名期刊《先進材料》(Advanced Materials)上發表。
西安交通大學任巍教授、莊建副教授、西安電子科技大學費春龍教授為論文共同通訊作者。西安交通大學鄭坤助理教授和西安電子科技大學全熠副教授為共同第一作者。參與該工作的還有西安交通大學連芩教授、王琛英教授、趙金燕副教授、趙一凡副教授、韓楓副教授等，合作者來自西安交通大學精密微納制造技術全國重點實驗室、電子陶瓷與器件教育部重點實驗室和西安電子科技大學集成電路學部。
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