北京航空航天大学の袁松梅教授は、高粘度・高固形分圧電セラミック3Dプリントの分野で進歩を遂げた。

出典：北京航空航天大学

最近、北京航空航天大学機械工学部の袁松梅教授の研究グループは、清華大学、北京科技大学、佛山（華南）新材料研究所と共同で、高粘度、高固形分圧電セラミック3Dプリントの分野で新たな進歩を遂げました。関連研究は最近、「高粘性圧電スラリーの圧電空気圧マイクロジェット印刷」というタイトルで Additive Manufacturing 誌に掲載されました。この研究は、中国国家自然科学基金（第51775304号）、広東省基礎応用基礎研究基金（第2020A1515110220号）およびその他のプロジェクトによって資金提供されました。論文の第一著者は、機械工学学院の博士課程学生である孫超超氏です。清華大学機械工学学院の袁松梅教授と材料科学工学学院の朱向成准研究員が共同責任著者です。北京航空航天大学が論文の最初の完成機関です。

圧電セラミック材料は駆動やセンシングの分野で広く使用されており、その技術進歩により音響デバイスの研究開発と応用が急速に発展してきました。さまざまな分野で圧電デバイスの需要が深まり拡大するにつれて、その構造の多様性に対する要求もますます高くなり、3Dプリント技術が徐々に重要な役割を果たし始めています。 3D プリントされた圧電セラミックは、製造サイクルが短く、コストが低く、複雑な形状や微細構造を実現できるなどの利点があり、ますます注目を集めています。現在、セラミック分野における積層造形技術の発展は、材料、プロセス、設備から応用まで、総合的なソリューションを解決する能力によって制限されています。そのため、DLPやSLAなどの既存の積層造形法では、セラミックスラリーの固形分、粘度、粒子サイズ、分散性などに対する要求が高く、セラミック積層造形技術の産業応用が制限されています。本研究では、主に上記の困難さに着目し、電子セラミックス/構造セラミックス/骨材料/生体材料など、ほぼすべてのスラリー/インク材料に適した非接触高精度直接書き込み3D印刷プロセスを提案し、圧電材料の印刷において有効な検証を実現しました。

セラミック粒子の直径が小さくなり、固形分が増加すると、セラミックスラリーの粘度が大幅に増加し、印刷の失敗や印刷性能の低下などの一連の問題が発生します。この問題を解決するために、研究チームは圧電空気式マイクロジェット 3D 印刷技術を提案しました。光硬化性セラミックスラリーを改良し、印刷パラメータと焼結プロセスを最適化することで、最終的に 0.2 mm ノズルをベースに 50 vol% の高固形分セラミックスラリーの印刷を実現しました。この技術に基づいて、982mPs·sから383,135mPs·sまでの広い粘度範囲での印刷を実現できます（固形分28〜50vol％）。焼結密度は、同じ材料の乾式圧縮サンプルの密度に近く、非常に優れた印刷性能とアプリケーションの利便性を示しており、科学研究者がセラミック添加剤製造の配合、プロセスなどに関する研究を行うのに役立ちます。

PPMJハイブリッド印刷システムにおける焼結温度と固形分含有量が異なるセラミックスラリー印刷物の成形効果の比較。本研究では、研究チームは3種類の代表的な樹脂と4種類の一般的に使用される分散剤の配合を比較し、各スラリーのレオロジー特性を比較することで、異なる樹脂に対する各分散剤の分散能力を得ました。研究チームは、電子顕微鏡観察によって分散剤の最適含有量を直感的に特徴付ける方法を提案し、圧電セラミックスラリーの製造プロセスにおける分散剤の最適含有量を決定し、セラミックスラリーの粘度を大幅に低減しました。さらに、PPMJ で印刷したサンプルと従来の乾式プレスサンプルを比較したところ、この印刷技術で印刷したサンプルの性能は従来の乾式プレスサンプルと同等であることがわかり、PPMJ は圧電セラミック印刷に使用できることがわかりました。同時に、ハニカム構造を印刷することで複合材料の作成も実現しました。以上の研究により、この技術が圧電アクチュエータやセンサーなどの分野で幅広く活用できることがわかりました。

論文リンク

https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2214860423000829

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