3Dプリンティングに基づく圧電特性と生体模倣機械特性を改善したバルク強誘電体材料の製造

寄稿者: ハン・ユー、ルー・ジョンリャン寄稿部署: 西安交通大学機械製造システム工学国家重点研究室

3 次元強誘電体は、ヒューマンマシンインターフェース、エネルギーの持続可能性、および強化された治療のための電気機械構成要素です。しかし、現在の天然素材や合成素材では、高電圧の電気応答と、実用的な条件を満たすために必要な機械的強度を同時に提供することはできません。最近、米国ウィスコンシン大学のジュン・リー[1]らの研究者らは、熱溶解積層法（FDM）技術を用いて、セラミックの圧電特性と人間の骨のような破壊靭性を備えた層状強誘電体メタマテリアルブロックを作製した。他の既存材料と比較して、縦方向の圧電係数が大幅に向上し、亀裂抵抗は従来の圧電セラミックの3倍以上高く、インテリジェント生物システムへの応用に大きな可能性を示している。

研究チームは、層状強誘電体メタマテリアルブロックの設計にチップ型多層セラミックコンデンサ（MLCC）構造を採用し、交互に積層されたソフト強誘電体層とハード電極層を、インサイチュ分極機能を備えたFDMによって直接バッチ印刷しました。このうち、ソフト電極層には導電性の高いカーボンブラックフィラー（CB）とポリ乳酸（PLA）の混合物を使用し、ハード電極層は鉛フリーのLi-KNN、鉛含有強誘電体セラミックス、ポリフッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体（PVDF-HFP）で構成されています。

図 1 は、説明した MLCC 構造を実現するための操作と基本的なテストを示しています。図 1 (a) は、柔らかい強誘電体層と硬い導電層を繰り返し構築する印刷プロセスを示しています。印刷中、ノズルと導電層の間に電界が印加されます。左下隅の挿入図は、強誘電体複合材料 (上) と導電性複合材料 (下) の走査型電子顕微鏡 (SEM) 画像です。中央下隅の挿入図は、印刷前後の双極子配列の概略図です。右側の挿入図は、Li-KNNMP と PLA の結合界面の概略図です。図1(b)は、有限要素解析によってノズルとMLCC構造間の電位分布をシミュレートしています。図 1 (c) は、長波赤外線画像を使用して、印刷プロセス中の強誘電体構造の周囲の温度分布を捉えています。図1（d）は、側面SEM視点からの強誘電体メタマテリアルの層状ヘテロ構造です。図1(e)は、構造中のNb元素（上図）とF元素（下図）のエネルギー分散型X線スペクトル（EDS）です。

図 1 層状強誘電体メタマテリアルブロックを実現する 3D 印刷技術図 2 は、図 1 に示す印刷技術を使用して製造された人骨の構造と構造性能テストを示しています。図 2 (a) は、人体の動きに反応する埋め込まれた圧電近位端を備えた指骨の概略図です。図 2 (b) は、垂直方向と水平方向に小さな衝撃力を受けたときの、指骨の長軸 (上) と短軸 (下) に沿って印刷された人工骨の異方性圧電応答を示しています。図2（c）は骨構造の圧縮応力-ひずみ曲線を示しており、図（i）はPLA/CB（赤）、強誘電体メタマテリアル（青）、PVDF-HFP/Li-KNN（黒）を使用して印刷された構造特性曲線を比較しており、図（ii）は、同じ強誘電体および電極層の条件下で多孔度が0％から75％に変化したときの3D印刷された強誘電体メタマテリアルの構造特性曲線を比較しています。図2（d）作製した指骨の圧縮弾性率の範囲は、組成と多孔度を調整することによって決定されました。図2（e）は、研究チームが開発した人工指骨と他の材料で作られた人工骨の破壊靭性の比較です。この結果は、強誘電体メタマテリアルMLCCの構造性能が、天然または合成圧電材料で作られた一連の類似製品よりも優れていることを示しています。

図2 3Dプリント圧電人工骨と性能試験

注目すべきは、斑点や毛穴といった FDM 技術の一般的な欠陥が、Jun Li 氏のチームの研究でも依然として存在していることです。しかし全体として、特殊な圧電性と破壊靭性を備えたチームが開発した層状強誘電体メタマテリアルブロックは、異方性圧電性、高靭性、調整可能な弾性率を備えたフルサイズの圧電骨のような構造を将来的に確立するための研究基準を提供します。
参考文献:

Li J、Yang F、Long Y、他積層造形による圧電特性と生体模倣機械特性を強化したバルク強誘電体メタマテリアル[J]。ACS Nano、2021、15(9):14903-14914。

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