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机械工程师开发三维印刷压电材料的工艺

2019年03月04日 13:13来源?#20309;?#30693;手机版

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Xiaoyu Rayne Zheng,工程学院机械工程助理教授,大分子创新研究所成员,他的团队开发了3D打印压电材料的方法,可?#36828;?#21046;设计来转换运动,冲击和压力从任何方向到电能。

压电材料将应变和应力转化为电荷, 郑解释道。

压电材料只有?#38050;中?#29366;,由脆性晶体和陶瓷制成 - 这种材料需要一个洁净的空间来制造。郑的团队已经开发出一种3D打印这些材料的技术,因此它们不受形状或尺寸的限制。该材料还可?#21592;?#28608;活 - 为触觉传感,冲击和振动监测,能量收集和其他应用提供下一代智能基础设施和智能材料。

释放设计压电的自由

压电材料最初是在19?#20848;?#21457;现的。从那时起,制造技术的进步导致了洁净室的需求和复杂的程序,该程序产生在加工后连接到电子器件的薄膜和块。昂贵的工艺和材料固?#26800;?#33030;性限制了最大化材料潜力的能力。

Zheng的团队开发了一种模型,允许他们操纵和设计任意压电常数,从而通过一组3D可打印拓扑结构,使材料响应来自任何方向的入射力和振动而产生电荷运动。与传统的压电材料不同,其?#26800;?#33655;运动由内在晶体规定,新方法允许用户规定和编程电压响应,?#21592;?#22312;任何方向上放大,反转或抑制。

我们开发了一种设计方法和印刷?#25945;ǎ?#21487;以自由设计压电材料的灵敏度和工作模式, 郑说。 通过编程3D有源拓扑,您可以在材料中实现几乎任何压电系数的组合,并将它们用作传感器和传感器,这些传感器和传感器不仅灵活?#20202;?#22823;,而?#19968;?#36890;过电信号响应压力,振动和冲击。告诉这些材料在任何位置内撞击的位置,大小和方向。

压电,传感器和传感器的3D打印

当前压电制造?#26800;?#19968;个因素是使用的天然晶体。在原子水平上,原子的方向是固定的。郑的团队已经生产出一种模仿晶体的替代品,但允许通过设计改变晶格取向。

我们已经合成了一类高灵敏度的压电墨水,可以用紫外光雕刻成复杂的三维特征。墨水含有高浓度的压电纳米晶体,与紫外线敏?#26800;?#20957;胶结合,形成溶液 - 像熔化的乳状混合物水晶 - 我们用高分辨率数字光3D打印机打印, 郑说。

该团队以一种测量人类头发直径分数的比例展示了3D打印材料。 我们可?#36828;?#21046;架构,使它们更灵活,并使用它们,例如,作为能量收集设备,将它们包裹在任意曲?#25163;?#22260;, 郑说。 我们可以让它们变厚,轻盈,坚?#19981;?#21560;收能量。

该材料的灵敏度?#28909;?#24615;压电聚合物高5倍。材料的刚度和形状可以调整和生产为类似纱布条的薄片,或者作为硬块。 我们有一个团队将它们变成可穿戴设备,?#28909;?#25106;指,鞋垫,并将它们安装到拳击手套中,我们将能够记录冲击力并监控用户的健康状况, 郑说。

实现所需机械,电气和热性能的能力将大大减少开发?#23548;?#26448;料所需的时间和精力, 宾夕法尼亚州立大学研究副研究员兼弗吉尼亚??理工大学机械工程教授Shashank Priya说。

新的应用程序

该团队印刷并展示了包裹在曲面上的智能材料,佩戴在手和手指上以转换运动,并获得机械能,但应用远远超出可穿戴设备和消费电子产品。Zheng认为该技术是机器人技术,能量收集,触觉传感和智能基础设施的一次飞跃,其结构完全由压电材料制成,感应冲击,振动和运动,并允许对其进行监控和定位。该团队已经打印了一个小型智能桥,以展?#37202;潿杂?#24863;应坠落冲击位置及其大小的?#35270;?#24615;,同时足够强大以吸收冲击能量。该团队还展示了他们应用智能传感器,将水下振动信号转换为电压。

传统上,如果你想监控一个结构的内部强度,你需要在整个结构上放置许多单独的传感器,每个传感器都有许多引线?#22303;?#25509;器, 郑医生,郑博士说。和自然材料论文的第一作者。 在这里,结构本身就是传感器 - 它可以监控自己。

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