出版信息：Adv. Powder Mater. 3(2024)100226.
第一作者：李江
通信作者：张妍，袁晰，张斗
文章摘要
3D打印柔性压电复合材料（3D-FPCs）因其在各类智能结构应用场景中展现的独特优势而日益受到关注。然而，当前的研究主要集中在0-3型压电复合材料的3D打印上，在此类材料中，压电陶瓷以颗粒形式嵌入在聚合物基体中，颗粒之间的较差的连接性显著降低了复合材料中的应变和电荷传导，严重制约了其在驱动方面的应用。在这个工作中，我们通过3D打印制备了一种连续的锆钛酸铅（PZT）双层陶瓷支架，并与环氧树脂及叉指状电极组装制造出一种多功能器件。这种3D-FPCs在驱动测试中展现了1830 ppm的自由应变能力，能够驱动不锈钢悬臂梁产生5.71毫米的顶端位移。同时，在传感应用中，器件展现出了26.81 V/g的灵敏度。在应用展示中，3D-FPCs被证明可作为移动微型机器人的驱动器，以及作为检测关节活动的可穿戴传感器。
研究背景
创新点
（1）3D打印技术的应用
创新地采用了3D打印技术制备连续的PZT双层陶瓷支架，克服了传统0-3型压电复合材料中因颗粒间连接性差导致的性能瓶颈，显著提高了应变和电荷的传导效率。
（2）多功能器件的设计与制造
设计并制造了集驱动与传感于一体的多功能器件，实现了高达1830 ppm的自由应变，展示了其在驱动应用中的潜力，同时具备高灵敏度（26.81 V/g），适用于传感领域。
（3）实际应用的可行性展示
展示了3D-FPCs在实际应用中的可行性，包括作为微型机器人驱动器实现运动控制，以及作为可穿戴监测人体关节活动，为柔性电子和智能穿戴技术提供了新的材料选择和设计思路。
文章概述
首先，我们基于水基体系配置了PZT陶瓷浆料。浆料表现出明显的剪切稀化特性，为假塑性流体。浆料的模量分析显示，固含量为80 wt.%时，浆料达到了理想的黏弹性，可以确保浆料顺畅挤出并维持生坯结构。生坯光学图像揭示了双层支架结构，尺寸为40 mm × 20 mm × 0.6 mm，丝径为400 μm，陶瓷颗粒直径为数百纳米。烧结后，双层结构保持良好，整体收缩率为16.25%，16.5%，20%，陶瓷线条的直径收缩率为16.5%，与宏观尺寸的观察一致。烧结后晶粒尺寸增至约3 μm。3D打印PZT陶瓷展现出良好成型与烧结特性，烧结后陶瓷相对密度达到了98%。
图1. 浆料的流变学性质与3D打印支架的形态。(A) 打印过程的示意图。体积分数对(PZT)浆料的(B)粘度和(C)弹性模量的影响。(D) 生坯支架的光学图像，(E)、(F)生坯支架的扫描电子显微镜(SEM)微观结构。(G) 烧结后支架的光学图像，(H)、(I)烧结后支架的扫描电子显微镜(SEM)微观结构。
将制备的PZT支架与环氧树脂复合之后，再与叉指电极片复合制成最终器件。3D打印的灵活性可以确保不同尺寸器件的灵活制造。这里展示了28 mm × 7 mm、65 mm × 33 mm 和 85 mm × 57 mm 等不同尺寸的3D-FPC样品的光学图像。复合物可以轻松地弯曲-复原，展现出了良好的柔性。通过光学显微照片与扫描电镜图片展示了叉指电极、环氧树脂与陶瓷的结合细节，3D-FPC结构紧凑，各组件间结合良好。
3D打印压电复合材料的电学性能受陶瓷体积分数显著影响。从64%降至13%，剩余极化强度（Pr）与应变分别从8.33 μC/cm² 和 0.29% 降至 1.27 μC/cm² 和 0.003%，铁电与应变性能随之下降。介电常数（εr）随陶瓷含量增加从10至590，纯PZT陶瓷εr高达2138。介电损耗低，阻抗与εr成反比，陶瓷越多，阻抗越低。最大相位角θmax为-61°，低于传统压电纤维复合材料（PFCs），归因于3D打印双层结构的不对称性，影响了极化一致性。
研究考察了3D打印柔性压电复合材料的驱动性能，采用高压测试系统，器件在空气中悬挂以测试自由应变。结果显示，随着陶瓷体积分数增加，自由应变性能增强。64%陶瓷含量的3D-FPCs在500V下，纵向和横向自由应变分别达到905 ppm和352 ppm。使用偏置电压时，应变分别提升至1830 ppm和670 ppm，优于商用MFC产品。在0.1 Hz至100 Hz频率范围内，3D-FPCs保持驱动能力，但频率升高至100 Hz时，应变下降至960 ppm和400 ppm。有限元分析揭示了双层结构的不对称性，上层极化状态更优，使3D-FPCs即使在整体极化较低时，仍能实现与传统工艺相当的驱动性能。总体上，3D-FPCs展现出宽频率范围内的优秀驱动性能，体现了3D打印技术在柔性压电材料制备上的潜力。
为了评估3D-FPCs的驱动性能，研究人员选取了自由应变最高的64%体积分数的样品来驱动一个钢质悬臂梁。在驱动测试系统中，将3D-FPC贴附于悬臂梁上，施加-500V至1500V的正弦电压，频率范围从20Hz至80Hz，激光位移传感器用于测量梁端位移。在非共振频率下，梁端位移小于0.1mm，但在46Hz的共振频率时，位移迅速增至5.71mm，表明3D-FPC能够有效地驱动悬臂梁振动。疲劳测试显示，在经过10,000次循环后，梁端平均位移从5.69mm轻微降至5.64mm，降幅仅为0.88%，证明了3D-FPC的稳定性。为进一步验证3D-FPC在机器人中的应用，研究人员设计了一款简易机器人。通过将3D-FPC附着于铜箔制成的机器人中部，实现了机器人的移动，这一成果展示了3D-FPC在机器人驱动领域的潜在应用价值。
在传感测试中，64%体积分数的3D-FPC于53Hz共振频率下，3g加速度时输出电压峰值64.9V，展现出26.81V/g的高灵敏度，非共振频率下灵敏度稳定。阻尼实验确认其有效监测振动衰减。贴于手腕，弯曲角度从10°至30°，输出电压从3.28V升至12.82V，证实3D-FPC适用于运动监测，为柔性可穿戴传感技术开辟新径，凸显3D打印压电复合材料在智能穿戴领域的潜力。
图6：3D-FPCs的传感应用。(A) 感测测试系统的示意图及其电路布局。(B) 振动频率对3D-FPC输出电压的影响。(C) 加速度变化对3D-FPC输出电压的效果。(D) 阻尼测试结果，展示3D-FPC在振动衰减中的响应。(E) 3D-FPC用于感测手腕状态的实验，体现其在人体运动监测中的潜力。
启示
本研究开创性地运用3D打印技术制备了兼具传感与驱动功能的柔性压电复合材料，实现了内部结构与整体尺寸的精准控制。3D-FPCs展现出优异的应变性能和驱动能力，同时具备出色的传感灵敏度，为微型机器人驱动与关节运动监测等应用领域开辟了新途径，预示着在机器人技术和可穿戴设备方面具有广阔的发展前景。未来研究将进一步优化内部结构，拓展其在更多高领域的应用。
团队介绍
李江，2019年本科毕业于中南大学粉末冶金研究院。目前在张斗教授指导下攻读博士学位，专注于压电材料的增材制造技术研究。
张斗，中南大学二级教授，粉末冶金研究院院长。2006年博士毕业于英国伯明翰大学，1999-2009年间先后在韩国科学技术院（KAIST）、英国伯明翰大学开展工作。入选2009年度教育部“新世纪优秀人才支持计划”、2011年度湖南省自然科学杰出青年和2012年度湖南省“百人计划”，伯明翰大学冶金与材料学院荣誉教授。主要研究方向为功能陶瓷与器件，已主持国家重点研发计划等40余项科研与人才项目，发表SCI论文200余篇，授权专利50余项。获得2021年湖南省技术发明一等奖、2022年中国侨界贡献奖一等奖。担任Journal of Electroceramics 执行主编、Frontiers in Electronic Materials 主编和《压电与声光》编委。
文章信息
Jiang Li, Yan Zhang, Mingyang Yan, Chao Zhong, Lianzhong Zhao, Di Zhai, Hang Luo, Xi Yuan, Dou Zhang. 3D printing of flexible piezoelectric composite with integrated sensing and actuation applications. Adv. Powder Mater. 3(2024)100226. https://doi.org/10.1016/j.apmate.2024.100226
中文导读(点击标题进入阅读)：
Grain-interior planar defects induced by heteroatom monolayer
中文导读(点击标题进入阅读)：
Strain regulation via composition and valence dependent substitution in BNT-based solid solutions
Advanced Powder Materials上线论文分类展示
Advanced Powder Materials（先进粉体材料（英文））创刊于2022年1月，由中南大学与KeAi合作创办，粉末冶金国家重点实验室和粉末冶金国家工程研究中心承办的粉体材料领域的学术期刊。主编是黄伯云院士和Chain-Tsuan Liu院士。致力于发表国内外粉体材料领域及其交叉学科具有原创性和重要性的最新研究成果。
l 坚持高质量办刊，审稿原则“高效、双盲、严格”
l IF：28.6
l 获得奖项：
