研究: 圧電メタマテリアルの製造のためのマイクロスケール連続液体界面 3D プリント

研究: 圧電メタマテリアルの製造のためのマイクロスケール連続液体界面 3D プリント



米国アリゾナ州立大学の陳向帆氏のチームは、マイクロスケール連続液体界面製造3Dプリント技術を圧電メタマテリアルの製造に初めて適用し、圧電セラミック複合材料の高精度、高速、連続成形3Dプリントを実現しました。関連記事はResearchに掲載されています。

引用:Siying Liu、Wenbo Wang、Weiheng Xu、Luyang Liu、Wenlong Zhang、Kenan Song、Xiangfan Chen、「数分で建築型圧電センサーの連続3次元印刷」、Research、vol。2022、記事ID 9790307、​​13ページ、2022年。https://doi.org/10.34133/2022/9790307


01 研究の背景

研究により、3 次元 (3D) 圧電メタマテリアルは異方性または方向性圧電効果を提供する大きな可能性を秘めていることがわかっています。同時に、3D プリンティングは 3D 圧電メタマテリアルを製造する効果的な方法であることも証明されています。しかし、直接インク書き込み(DIW)技術などの押し出し原理に基づくものでも、デジタル光処理(DLP)技術などの光硬化原理に基づくものでも、圧電材料の高精度かつ高速な3D印刷を同時に実現することは困難であり、3D圧電メタマテリアルのさらなる研究と大規模な工業生産への応用は制限されています。

02 研究の進捗

米国アリゾナ州立大学の陳向帆氏のチームは、マイクロ連続液体界面生産(μCLIP)3Dプリント技術を圧電メタマテリアルの製造に初めて適用し、圧電セラミック複合材料の高精度、高速、連続成形3Dプリントを実現しました。



図1. 圧電セラミック複合材料の連続高速3Dプリント

研究チームはまず、チタン酸バリウム(BTO)などの一般的に使用されている圧電セラミック材料のナノスケール粒子の表面を化学的に改質し、これを基に、最大30重量%のセラミックナノ粒子を含む光硬化性3Dプリント樹脂を配合しました。印刷パラメータを最適化することで、最大 60 ミクロン/秒の最適な印刷速度が達成されました。ミクロンレベルの印刷精度と同程度の圧電性能を維持しながら、他の DLP ベースの圧電セラミック複合 3D 印刷技術と比較して、印刷速度が少なくとも 10 倍向上しました。同時に、研究チームはこの技術をチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)や窒化アルミニウム(AlN)などの他の一般的な圧電セラミック材料に適用できる可能性を検証し、この技術の幅広い応用範囲をさらに実証しました。



図2 印刷速度と材料の圧電特性の最適化; 3Dプリントされた複雑なマルチスケール圧電構造のデモンストレーション

これを基に、研究チームはμCLIPを通じて共通の体心立方格子構造の圧電メタマテリアルを印刷し、特性評価を行い、圧電メタマテリアルは従来の圧電材料に比べて大幅に改善され、調整可能な機械的特性と圧電特性を備えていることを実証しました。研究チームはさらに、さまざまな構造を持つ一連の圧電メタマテリアルを製造、印刷、特性評価し、この技術を使用してフレキシブル電子機器、ウェアラブルデバイスなどの分野での用途向けの3D圧電メタマテリアルを製造する実現可能性を検証しました。



図3. フレキシブルでウェアラブルな圧電センシングアプリケーション

03
今後の展望

この成果により、圧電セラミック複合材料の高精度かつ高速な 3D 印刷が実現しました。印刷された圧電セラミック材料は信頼性の高い機械的特性と圧電特性を備えているため、大規模な工業生産に応用できる可能性があります。また、調整可能な異方性または方向性特性を備えた新しい圧電 3D 圧電メタマテリアルをさらに設計および製造するための信頼性の高いプラットフォームも提供します。

04
著者について

陳向帆氏は、アリゾナ州立大学アイラ・A・フルトン工学部の製造工学助教授です。主な研究分野は、マイクロ・ナノスケールの積層造形(3Dプリンティング)やナノインプリント技術などの先端製造技術、光学関連機能デバイスの設計、加工、特性評価、エンジニアリング応用など。近年はResearch、Advanced Materials、Nano Letters、Advanced Optical Materialsなどの雑誌に多数の論文を発表。

研究グループのホームページ: https://chenlab.engineering.asu.edu/





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