異なる方向の圧力に方向性のある応答を示す圧電材料を作製するための 3D プリント

異なる方向の圧力に方向性のある応答を示す圧電材料を作製するための 3D プリント
著者: Lian Weibo、Lu Zhongliang

圧電材料は、圧力が加えられると両端面の間に電圧を発生する結晶材料です。圧電材料の応用分野は、振動エネルギーと超音波振動エネルギー - 電気エネルギー変換器の用途に大別できます。これには、電気音響変換器、水中音響変換器、超音波変換器、およびその他のセンサーおよびアクチュエータの用途が含まれます。しかし、バルク圧電セラミックスと圧電ポリマー複合材料の圧電定数は、その構造構成と密接に関連しています。ドーピングなどの化学修飾により、材料の圧電定数を特定の方向に変更できますが、このアプローチでは他の物理的特性 (柔軟性や感度) を変更する際に依然として大きな制限があります。

バージニア工科大学工学部の鄭暁宇氏らは、3D プリントを使用して新しいタイプの圧電材料を製造する方法を提案しました。彼らはこの方法を使用して、高い圧電特性を持つ材料を作成し、さまざまな方向の圧力に対する方向性のある応答を実現しました。

図1. 光活性モノマーを使用したPZTの表面機能化と複雑な形状の機能性材料の3Dプリント。この圧電材料の製造方法は次のとおりです。まず、機能化剤(トリメトキシプロピルメタクリレート)をPZT粒子に共有結合させて表面機能化圧電ナノ粒子を合成し、シロキサン結合を介して表面に遊離メタクリレートを残します(図a)。表面機能化レベルを高めることで、複合粒子材料の圧電応答レベルが最大限に高まります(図b)。最後に、ナノ粒子を3Dプリントシステムで結合して形成し(図c)、圧電材料ブロックを取得します。その微細構造を図dに示します。

図2 力方向知覚テスト。
改質材料の構造が異なると圧力静電応答が異なるという性質を利用して、図2bに示すような構造を設計し、異なる方向で圧力試験を行うことで、3方向で異なる圧電応答を持つ圧電材料の製造を実現した。

この応答性の高い圧電材料は、3D プリントによって異方性と方向性の効果を実現します。この研究は、ユーザーが対象アプリケーションに合わせて増幅や抑制などの動作モードを設計できるようにする 3D センサー材料の設計に向けた一歩です。新しい構造と機能を備えたこの新しいタイプの圧電材料は、従来のセンサーアレイの展開モードを打ち破り、3D プリント製造を通じて将来のスマート材料設計の考え方を提供します。

参考文献
設計された異方性と方向性応答を備えた圧電材料の 3 次元印刷。Huachen Cui、Ryan Hensleigh、Desheng Yao、Deepam Maurya、他。Nature Mater、(2019)

出典:機械製造システム工学国家重点実験室

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