北航袁松梅教授在高粘度、高固含量压电陶瓷3D打印领域获进展

近日，北京航空航天大学机械学院袁松梅教授课题组吉印通清华大学、北京科技大学、佛山（华南）新材料研究院在高粘度、高固含量压电陶瓷3D打印领域取得了新进展。相关工作以“Piezoelectric-pneumatic micro-jet printing of high viscous piezoelectric slurry”为题，于近期发表在《Additive Manufacturing》期刊上。该研究获国家自然基金（No.*177*304）、广东省基础与应用基础研究基金（No.2020A1*1*110220）等项目资助。机械学院博士生孙超超为文章第一作者，机械学院袁松梅教授和清华大学材料学院褚祥诚副研究员为共同通讯作者，北京航空航天大学为该论文的第一完成单位。

压电陶瓷材料在驱动和传感领域具有广泛应用，其技术进步推动声学器件研发和应用的迅速发展。随着各领域对压电器件需求的不断深入和拓展，对其结构多样性的要求越来越高，3D打印技术逐渐开始发挥重要作用。3D打印压电陶瓷具有制造工艺周期短、成本低、可以获得复杂形状或微结构等优势，越来越受到关注。目前，增材制造技术在陶瓷领域的发展受限于从材料、工艺、设备到应用端整体方案的解决能力，因此现有DLP、SLA等增材制造方法对陶瓷浆料固含量、粘度、粒度、分散性等均提出较高要求，局限了陶瓷增材制造技术的产业应用。本研究主要针对上述难点，提出一种几乎适应所有电子陶瓷/结构陶瓷/骨材料/生物材料等浆料类/墨水类材质的非接触、高精度直写3D打印工艺手段，在压电材料打印方面取得有效验证。

随着陶瓷颗粒直径的减小及固含量的增加，陶瓷浆料的粘度会大幅度增加，进而导致无法打印或打印性能差等一系列问题。为解决这一问题，研究团队提出了压电-气动微喷3D打印技术，通过改善光固化陶瓷浆料，优化打印参数及烧结工艺，最终基于0.2mm喷嘴实现了*0vol%高固含量陶瓷浆料的打印。基于该技术可以实现从**2mPs·s到3*3,13*mPs·s宽粘度范围的打印（固含量2*—*0vol%），烧结致密度接近于同材质干压成型的样品，展现出非常优越的打印性能及应用便利性，有助于科研人员开展与陶瓷增材制造配方、工艺等相关的研究工作。

PPMJ混合打印系统

不同烧结温度、不同固含量陶瓷浆料打印件的成型效果对比

该研究中，团队对比了三种典型树脂及四种常用分散剂的配方，通过比较每种浆料的流变特性，获得了每种分散剂针对不同树脂的分散能力规律；提出用电镜观测手段实现对分散剂最佳含量的直观表征方法，确定了压电陶瓷浆料配制过程中分散剂的最佳含量，极大降低了陶瓷浆料粘度。此外，研究中通过对比PPMJ打印样件与传统干压样品，发现该打印技术所打印件的样件性能与传统干压式相近，表明PPMJ可以用于压电陶瓷打印；同时通过打印蜂窝状结构实现了复合材料的制备。以上工作表明，该技术可以广泛应用在压电驱动器和传感器等领域。

来源：北京航空航天大学

论文链接

021yin.com/science/article/abs/pii/S2214*60423000*2*