Инженеры разрабатывают процесс печати пьезоэлектрических материалов в 3D

Исследователь Сяоюй «Райн» Чжэн, доцент кафедры машиностроения в «College of Engineering» и его команда разработали методы для трехмерной печати пьезоэлектрических материалов, которые могут быть специально разработаны для преобразования движения и воздействия от любых направлений к электрической энергии.

Пьезоэлектрические материалы имеют только несколько определенных форм и изготовляются из хрупких кристаллов и керамики — процесс, который требует чистоты производственного помещения. Команда Чжэна разработала технику для трехмерной печати этих материалов, чтобы они не были ограничены ни по форме, ни по размеру.

Пьезоэлектрические материалы были впервые обнаружены в 19 веке. Они могут либо под действием деформации индуцировать электрический заряд на своей поверхности (прямой пьезоэффект), либо под влиянием внешнего электрического поля деформироваться (обратный пьезоэффект).

С тех пор прогресс в технологии производства привел к требованию чистых помещений и сложной процедуры, которая производит пленки и блоки, которые после обработки соединяются с электроникой. Дорогой процесс и присущая материалу хрупкость ограничивают способность максимизировать потенциал материала.

Инженеры разработали модель, которая позволяет им манипулировать и проектировать произвольные пьезоэлектрические постоянные, в результате чего материал генерирует движение электрического заряда в ответ на входящие силы и вибрации с любого направления посредством набора трехмерных печатаемых топологий.

В отличие от обычных пьезоэлектриков, в которых движения электрического заряда задаются собственными кристаллами, новый метод позволяет пользователям назначать и программировать отклики напряжения, которые нужно увеличить, обратить или подавить в любом направлении.

«Мы разработали метод проектирования и печатную платформу для свободного проектирования чувствительности и режимов работы пьезоэлектрических материалов», — сказал Чжэн.

«Программируя активную трехмерную топологию, вы можете добиться практически любой комбинации пьезоэлектрических коэффициентов в материале и использовать их в качестве датчиков и сенсоров, которые не только гибкие и прочные, но также реагируют на давление, вибрации и удары с помощью электрического сигналы, которые сообщают местоположение, величину и направление воздействий в пределах любого местоположения этих материалов.»

Одним из факторов современного пьезоэлектрического производства является использование природного кристалла. На атомном уровне ориентация атомов фиксирована. Команда Чжэна создала заменитель, который имитирует кристалл, но позволяет изменить ориентацию решетки в зависимости от конструкции.

«Мы синтезировали класс высокочувствительных пьезоэлектрических чернил, которые могут быть сконструированы в сложные трехмерные объекты с ультрафиолетовым излучением. Чернила содержат высококонцентрированные пьезоэлектрические нанокристаллы, связанные с чувствительными к ультрафиолетовому излучению гелями, которые образуют раствор — молочную смесь, подобную расплавленным кристаллам.

Ученые продемонстрировали трехмерные печатные материалы в масштабе, измеряющемся в долях от диаметра человеческого волоса. «Мы можем адаптировать архитектуру, чтобы сделать их более гибкими, и использовать их, например, в качестве устройств сбора энергии, оборачивая их вокруг любой произвольной кривизны», — сказал Чжэн. «Мы можем сделать их толстыми, легкими, жесткими или поглощающими энергию».

Инженеры напечатали и продемонстрировали умные материалы, обернутые вокруг изогнутых поверхностей, которые носят на руках и пальцах для преобразования движения и сбора механической энергии, но приложения выходят далеко за рамки носимой и бытовой электроники.

Чжэн видит в этой технологии скачок в робототехнику, сбор энергии, тактильное зондирование и интеллектуальную инфраструктуру, где конструкция полностью изготовлена ​​из пьезоэлектрического материала, обнаруживает удары, вибрации и движения, а также позволяет отслеживать и определять их местоположение. Исследователи напечатали небольшой умный мост, чтобы продемонстрировать его применимость для определения мест падения при ударе, а также его величины, при этом достаточно прочная, чтобы поглощать энергию удара. Они также продемонстрировали применение интеллектуального преобразователя, который преобразует подводные вибрационные сигналы в электрические напряжения.

«Традиционно, если вы хотите контролировать внутреннюю прочность конструкции, вам необходимо иметь множество отдельных датчиков, размещенных по всей структуре, каждый из которых имеет несколько выводов и разъемов», — говорят исследователи. «Здесь сама структура является датчиком — она ​​может контролировать себя».

Three-dimensional printing of piezoelectric materials with designed anisotropy and directional response, Nature Materials (2019). DOI: 10.1038/s41563-018-0268-1 , https://www.nature.com/articles/s41563-018-0268-1