電気機械エネルギー変換のための鉛フリー圧電複合材料を使用した 3D プリント メタマテリアル スケルトン

電気機械エネルギー変換のための鉛フリー圧電複合材料を使用した 3D プリント メタマテリアル スケルトン
出典: PuSL


メタマテリアルとは、天然素材にはない優れた物理的特性を持つ人工複合構造の一種を指します。その優れた性能は、素材そのものではなく、人工的な構造から生まれます。メタマテリアルは従来の設計原理を打ち破り、物理的なスケールでの秩序ある構造設計を通じて優れた性能を実現します。メタマテリアルの優れた性能はさまざまな分野から注目を集めており、透明マント、ゼロ屈折率材料、プラズマセンサー、エネルギーハーベスターなどの分野で幅広く応用されています。


最近、南方科技大学の王紅教授のチームは、メタマテリアルをテンプレートとして使用してセラミックポリマー複合材料を設計しました。研究チームはまず高精度3Dプリンティングを使用してメタマテリアルテンプレートを実現し、次にゾルゲル犠牲テンプレート法で鉛フリーの圧電セラミックス骨格を準備し、そのセラミックス骨格の上にポリジメチルシロキサン(PDMS)を注ぎ、独自の3次元相互接続圧電セラミックスポリマー複合材料を形成しました。この圧電メタマテリアルは、高い電気機械応答性と機械的柔軟性を備えています。 3次元の相互接続構造を持つこの複合材料は、人間の動作監視、人工筋肉、人工皮膚における感知および自己生成デバイスとしての潜在的な用途があります。関連する結果は、「電気機械エネルギー変換のためのメタマテリアルに基づく鉛フリー圧電複合材料」というタイトルで、Advanced Materials Technologies 誌に掲載されました。

この研究では、表面投影マイクロステレオリソグラフィー技術(nanoArch S140、Mofang Precision)を使用して樹脂構造を印刷し、その構造をメタマテリアルテンプレートとして使用しました。メタマテリアルテンプレートのサイズは40mm×40mm×10mm、印刷層の厚さは10μmに設定されており、最小のマイクロ単位格子の規制によりカスタマイズされた印刷を実現します。その後、テンプレート法によって鉛フリーの圧電セラミックス骨格を作製しました。より多くのチタン酸バリウムゾルをテンプレート表面に付着させるために、チームはテンプレート表面に厚い層のポリドーパミンを吸着する表面処理方法を設計し、ポリドーパミンを含むメタマテリアルをチタン酸バリウムゾルに一定期間浸漬してから取り出しました。最後に、空気乾燥-熟成-焼成処理を経て、最終的なセラミックス骨格が得られました。

鉛フリー圧電セラミックス骨格をポリジオキシシロキサンでカプセル化することで、メタマテリアル構造を持つ圧電複合材料が得られました。チタン酸バリウムメタマテリアル-PDMS 複合材料は優れた機械的特性を有し、その圧電分極度は、同じチタン酸バリウム体積の無秩序チタン酸バリウム-PDMS 複合材料の圧電分極度よりもはるかに高い。チタン酸バリウムメタマテリアル-PDMS複合材料は感度が高く、歩数計、体重センサー、心拍数モニターなどのさまざまなセンサーに適用できます。この研究は、エネルギーハーベスター、センサー、人工皮膚などの電気機械デバイス用の高性能フレキシブル材料を開発するための新しい戦略を提供するものと考えています。

論文リンク: https://doi.org/10.1002/admt.202200650


△図1 表面投影型マイクロ光造形技術の模式図


△図2 表面投影マイクロ光造形技術により樹脂構造をメタマテリアルテンプレートとして印刷


△図3 表面投影マイクロ光造形技術により印刷されたメタマテリアルの表面に付着したポリドーパミン層の作成


△図4 ゾルゲル法によるメタマテリアル骨格の作製とPDMSカプセル化による圧電複合材料の作製


△ 図5 チタン酸バリウムメタマテリアル-PDMS複合材料の圧電性能試験


△ 図6 ウェアラブルデバイスに適用されたチタン酸バリウムメタマテリアル-PDMS複合材料


△ 図7 エネルギーハーベスティングに応用されたチタン酸バリウムメタマテリアル-PDMS複合材料

MCF、メタマテリアル

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