3D-FPC（Flexible Printed Circuit，柔性印刷电路板）是一种具有三维布局的柔性电路板，它能够实现繁芜的电路设计，同时保持一定的柔韧性，适用于须要波折或折叠的电子设备。
近日，中南大学通过首创性地利用3D打印技能制备了兼具传感与驱动功能的柔性压电复合股料，实现了内部构造与整体尺寸的精准掌握。3D-FPCs展现出精良的应变性能和驱动能力，同时具备出色的传感灵敏度，为微型机器人驱动与枢纽关头运动监测等运用领域开辟了新路子。
干系研究论文揭橥在Advanced Powder Materials 期刊。本期谷.专栏将对这一研究进行分享。
Jiang Li, Yan Zhang, Mingyang Yan, Chao Zhong, Lianzhong Zhao, Di Zhai, Hang Luo, Xi Yuan, Dou Zhang. 3D printing of flexible piezoelectric composite with integrated sensing and actuation applications. Adv. Powder Mater. 3(2024)100226.
https://doi.org/10.1016/j.apmate.2024.100226
文章题目：3D printing of flexible piezoelectric composite with integrated sensing and actuation applications
出版信息：Adv. Powder Mater. 3(2024)100226.
第一作者：李江
通信作者：张妍，袁晰，张斗
「 3D科学谷Highlight 」
3D打印电子产品运用
© 3D科学谷白皮书
01 文章择要
3D打印柔性压电复合股料（3D-FPCs）因其在各种智能构造运用处景中展现的独特上风而日益受到关注。然而，当前的研究紧张集中在0-3型压电复合股料的3D打印上，在此类材料中，压电陶瓷以颗粒形式嵌入在聚合物基体中，颗粒之间的较差的连接性显著降落了复合股猜中的应变和电荷传导，严重制约了其在驱动方面的运用。在这个事情中，中南大学课题组通过3D打印制备了一种连续的锆钛酸铅（PZT）双层陶瓷支架，并与环氧树脂及叉指状电极组装制造出一种多功能器件。这种3D-FPCs在驱动测试中展现了1830 ppm的自由应变能力，能够驱动不锈钢悬臂梁产生5.71毫米的顶端位移。同时，在传感运用中，器件展现出了26.81 V/g的灵敏度。在运用展示中，3D-FPCs被证明可作为移动微型机器人的驱动器，以及作为检测枢纽关头活动的可穿着传感器。
02 研究背景
近年来，智能材料因其独特的环境感知和相应能力而引起了科学界的广泛关注，个中压电材料因其同时具备传感和驱动的双重功能而显得尤为突出。压电材料不仅拥有快速的机电相应速率和低能耗的特性，而且在传感、驱动、能量转换、构造康健监测以及振动抑制等多个领域有着广泛的运用。根据材料组成身分的不同，压电材料可以分为压电单晶、压电陶瓷、压电聚合物以及压电复合股料等几大类。
随着运用领域中对繁芜形状和运动模式的需求日益增长，压电材料的柔性成为了新的追求目标。压电单晶和压电陶瓷虽然性能卓越，但其固有的脆性限定了它们的柔性；而以聚偏二氟乙烯（PVDF）为代表的压电聚合物虽然柔韧，但其压电性能相对较弱。比较之下，由压电陶瓷与聚合物复合而成的压电复合股料，奥妙地结合了两者的优点，既保持了良好的柔性，又具有出色的压电性能。
在压电复合股猜中，0-3型压电复合股料最为常见，这类材料通过将压电陶瓷颗粒分散在聚合物基质中，展现出较高的灵巧性。然而，由于陶瓷颗粒之间的连通性较差，这类复合股料常日只适用于传感场合，在驱动方面则缺少表现。比较之下，宏不雅观纤维复合股料（MFCs）通过利用压电材料的正逆压电效应，实现了传感与驱动的双重能力。MFCs的构造包括交错电极、树脂基体以及平行排列的压电陶瓷纤维，这种设计不仅担保了压电相的良好连通性，还授予了材料一定的柔韧性，使其在驱动、传感、能量网络以及构造康健监测等方面展现出强大的适用性。
传统的MFCs制备方法每每基于减材制造工艺，如切割添补等。这类方法不仅限定了却构的多样性，还在加工过程中产生了大量的材料摧残浪费蹂躏，从而引发了环境问题。与之形成光鲜比拟的是，3D打印技能作为一种创新的增材制造办法，成功地战胜了上述限定。与溶胶-凝胶法、纺织法等传统制备方法比较，3D打印技能具有更广泛的材料兼容性、更高的宏不雅观构造设计自由度以及无模制造繁芜风雅构造的能力。近年来，3D打印在柔性压电材料领域的运用日益受到重视，然而，先前的研究紧张聚焦于0-3型压电复合股料的3D打印，这类材料在驱念头能上表现有限。对付那些能够同时实现传感和驱动功能的柔性压电复合器件，例如MFCs，其3D打印的制备技能尚未有宣布。
在本研究中，中南大学课题组首次探索了3D打印技能在制备集传感和驱动能力于一体的柔性压电复合股料方面的运用。通过调度3D打印过程中的参数，中南大学课题组实现了器件内部构造和尺寸的高度可控性，进而能够精确调控器件的性能。实验结果显示，所制备的3D打印柔性压电复合股料（3D-FPCs）在纵向和横向的自由应变分别达到了1830 ppm和960 ppm，足以驱动不锈钢悬臂梁产生5.71mm的端部位移。此外，这些器件在共振频率下的传感灵敏度达到了26.81V/g，在非共振频率下也能达到约2V/g的灵敏度。这种全新的柔性压电复合股料制备策略不仅战胜了传统方法的局限性，还极大地拓宽了3D打印柔性压电复合股料在机器人技能和可穿着等领域的运用前景。
03 创新点
（1）3D打印技能的运用
创新地采取了3D打印技能制备连续的PZT双层陶瓷支架，战胜了传统0-3型压电复合股猜中因颗粒间连接性差导致的性能瓶颈，显著提高了应变和电荷的传导效率。
（2）多功能器件的设计与制造
设计并制造了集驱动与传感于一体的多功能器件，实现了高达1830 ppm的自由应变，展示了其在驱动运用中的潜力，同时具备高灵敏度（26.81 V/g），适用于传感领域。
（3）实际运用的可行性展示
展示了3D-FPCs在实际运用中的可行性，包括作为微型机器人驱动器实现运动掌握，以及作为可穿着监测人体枢纽关头活动，为柔性电子和智能穿着技能供应了新的材料选择和设计思路。
04 文章概述
首先，中南大学课题组基于水基体系配置了PZT陶瓷浆料。浆料表现出明显的剪切稀化特性，为假塑性流体。浆料的模量剖析显示，固含量为80 wt.%时，浆料达到了空想的黏弹性，可以确保浆料顺畅挤出并坚持生坯构造。生坯光学图像揭示了双层支架构造，尺寸为40 mm × 20 mm × 0.6 mm，丝径为400 μm，陶瓷颗粒直径为数百纳米。烧结后，双层构造保持良好，整体紧缩率为16.25%，16.5%，20%，陶瓷线条的直径紧缩率为16.5%，与宏不雅观尺寸的不雅观察同等。烧结后晶粒尺寸增至约3 μm。3D打印PZT陶瓷展现出良好成型与烧结特性，烧结后陶瓷相对密度达到了98%。
图1. 浆料的流变学性子与3D打印支架的形态。(A) 打印过程的示意图。体积分数对(PZT)浆料的(B)粘度和(C)弹性模量的影响。(D) 生坯支架的光学图像，(E)、(F)生坯支架的扫描电子显微镜(SEM)微不雅观构造。(G) 烧结后支架的光学图像，(H)、(I)烧结后支架的扫描电子显微镜(SEM)微不雅观构造。
将制备的PZT支架与环氧树脂复合之后，再与叉指电极片复合制成终极器件。3D打印的灵巧性可以确保不同尺寸器件的灵巧制造。这里展示了28 mm × 7 mm、65 mm × 33 mm 和 85 mm × 57 mm 平分歧尺寸的3D-FPC样品的光学图像。复合物可以轻松地波折-复原，展现出了良好的柔性。通过光学显微照片与扫描电镜图片展示了叉指电极、环氧树脂与陶瓷的结合细节，3D-FPC构造紧凑，各组件间结合良好。
图2. 三维压电复合股料（3D-FPC）的描述。(A) 不同尺寸的3D-FPCs。(B) 3D-FPC的示意图。沿着(B (ⅰ))平行于电极方向和(B (ⅱ))垂直于电极方向的3D-FPC的横截面光学照片。(C) 3D-FPC的横截面扫描电子显微镜（SEM）图像。(C (ⅰ~ⅵ)) 能谱仪（EDS）元素映射结果。(D) 电极与陶瓷之间结合的细节。
3D打印压电复合股料的电学性能受陶瓷体积分数显著影响。从64%降至13%，剩余极化强度（Pr）与应变分别从8.33 μC/cm² 和 0.29% 降至 1.27 μC/cm² 和 0.003%，铁电与应变性能随之低落。介电常数（εr）随陶瓷含量增加从10至590，纯PZT陶瓷εr高达2138。介电损耗低，阻抗与εr成反比，陶瓷越多，阻抗越低。最大相位角θmax为-61°，低于传统压电纤维复合股料（PFCs），归因于3D打印双层构造的不对称性，影响了极化同等性。
图3：3-3型压电复合股料与3D打印柔性压电复合股料（3D-FPCs）的铁电、介电和压电性能。压电复合股料在不同陶瓷体积分数下的P-E回线：(A) 64%，(B) 49%，(C) 39%，(D) 26%，以及(E) 13%。(F) 不同陶瓷体积分数的压电复合股料在1 kHz下的相对介电常数（εr）。(G) 介电频谱。(H) 电气阻抗谱。(I) 相位角丈量结果。
研究稽核了3D打印柔性压电复合股料的驱念头能，采取高压测试系统，器件在空气中悬挂以测试自由应变。结果显示，随着陶瓷体积分数增加，自由应变性能增强。64%陶瓷含量的3D-FPCs在500V下，纵向和横向自由应变分别达到905 ppm和352 ppm。利用偏置电压时，应变分别提升至1830 ppm和670 ppm，优于商用MFC产品。在0.1 Hz至100 Hz频率范围内，3D-FPCs保持驱动能力，但频率升高至100 Hz时，应变低落至960 ppm和400 ppm。有限元剖析揭示了双层构造的不对称性，上层极化状态更优，使3D-FPCs纵然在整体极化较低时，仍能实现与传统工艺相称的驱念头能。总体上，3D-FPCs展现出宽频率范围内的精良驱念头能，表示了3D打印技能在柔性压电材料制备上的潜力。
图4：3D-FPCs的自由应变性能。(A) 自由应变测试系统的示意图。(B) 输出电压波形，范围为-500V至500V，频率为0.1Hz。(C) 3D-FPC的自由应变波形。(D) 和 (E) 分别显示了具有不同固含量的3D-FPCs的纵向和横向自由应变。(F) 输出电压波形，范围扩大至-500V至1500V，频率保持在0.1Hz。(G) 在-500V至1500V和0.1Hz条件下，3D-FPCs的自由应变。(H) 电压频率对3D-FPCs纵向和横向自由应变的影响。(I) 3D-FPC的基本功能单元。(J) 有限元方法（FEM）仿照结果，展示了电势分布和极化矢量。(K) FEM仿照结果，显示了位移值分布和变形情形。
为了评估3D-FPCs的驱念头能，研究职员选取了自由应变最高的64%体积分数的样品来驱动一个钢质悬臂梁。在驱动测试系统中，将3D-FPC贴附于悬臂梁上，施加-500V至1500V的正弦电压，频率范围从20Hz至80Hz，激光位移传感器用于丈量梁端位移。在非共振频率下，梁端位移小于0.1mm，但在46Hz的共振频率时，位移迅速增至5.71mm，表明3D-FPC能够有效地驱动悬臂梁振动。疲倦测试显示，在经由10,000次循环后，梁端均匀位移从5.69mm轻微降至5.64mm，降幅仅为0.88%，证明了3D-FPC的稳定性。为进一步验证3D-FPC在机器人中的运用，研究职员设计了一款大略单纯机器人。通过将3D-FPC附着于铜箔制成的机器人中部，实现了机器人的移动，这一成果展示了3D-FPC在机器人驱动领域的潜在运用代价。
图5：3D-FPCs的驱动运用。(A) 驱动测试系统的示意图。(B) 电压频率对悬臂梁尖端位移的影响。(C) 在不同电压频率下，悬臂梁尖端位移的波形。(D) 悬臂梁振动状态的截图。(E) 由3D-FPC驱动的悬臂梁的疲倦性能。(F) 小型机器人的示意图和实物照片。
在传感测试中，64%体积分数的3D-FPC于53Hz共振频率下，3g加速度时输出电压峰值64.9V，展现出26.81V/g的高灵敏度，非共振频率下灵敏度稳定。阻尼实验确认其有效监测振动衰减。贴于手腕，波折角度从10°至30°，输出电压从3.28V升至12.82V，证明3D-FPC适用于运动监测，为柔性可穿着传感技能开辟新径，凸显3D打印压电复合股料在智能穿着领域的潜力。
图6：3D-FPCs的传感运用。(A) 感测测试系统的示意图及其电路布局。(B) 振动频率对3D-FPC输出电压的影响。(C) 加速度变革对3D-FPC输出电压的效果。(D) 阻尼测试结果，展示3D-FPC在振动衰减中的相应。(E) 3D-FPC用于感测手腕状态的实验，表示其在人体运动监测中的潜力。
05 启迪
本研究首创性地利用3D打印技能制备了兼具传感与驱动功能的柔性压电复合股料，实现了内部构造与整体尺寸的精准掌握。3D-FPCs展现出精良的应变性能和驱动能力，同时具备出色的传感灵敏度，为微型机器人驱动与枢纽关头运动监测等运用领域开辟了新路子，预示着在机器人技能和可穿着设备方面具有广阔的发展前景。未来研究将进一步优化内部构造，拓展其在更多高领域的运用。
l 谷专栏 l
网站投稿 l 发送至2509957133@***.com
