Инженеры-механики разрабатывают процесс печати пьезоэлектрических материалов в 3D
Пьезоэлектрические материалы, которые населяют все, от наших мобильных телефонов до музыкальных открыток, могут получить обновление благодаря работе, обсуждавшейся в журнале Nature Materials, опубликованном в сети 21 января.
Сяоюй «Райн» Чжэн, доцент кафедры машиностроения в Инженерном колледже и член Института инноваций макромолекул, и его команда разработали методы для трехмерной печати пьезоэлектрических материалов, которые могут быть специально разработаны для преобразования движения, удара и стресс от любых направлений к электрической энергии .
«Пьезоэлектрические материалы преобразуют напряжение и напряжение в электрические заряды», — объяснил Чжэн.
Пьезоэлектрические материалы имеют только несколько определенных форм и изготовлены из хрупких кристаллов и керамики — типа, который требует чистой комнаты для производства. Команда Чжэна разработала технику для трехмерной печати этих материалов, чтобы они не были ограничены ни по форме, ни по размеру. Материал также может быть активирован, обеспечивая следующее поколение интеллектуальных инфраструктур и интеллектуальных материалов для тактильного зондирования, мониторинга воздействия и вибрации, сбора энергии и других применений.
Дайте волю свободе конструировать пьезоэлектрики
Пьезоэлектрические материалы были впервые обнаружены в 19 веке. 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.
Команда Чжэна разработала 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 увеличивают, обращают или подавляют 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 датчиков, 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. »
3-D печать пьезоэлектриков, датчиков и преобразователей
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 дизайна.
«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 «Что мы печатаем на цифровом световом 3-D принтере с высоким разрешением», — сказал Чжэн.
Команда продемонстрировала трехмерные печатные материалы в масштабе, измеряющем доли 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».
Материал имеет чувствительность в 5 раз выше, чем у гибких пьезоэлектрических полимеров. Жесткость и форму материала можно настроить и изготовить в виде тонкого листа, напоминающего полосу марли, или в виде жесткого блока. «У нас есть команда, которая превращает их в носимые устройства, такие как кольца, стельки, и помещает их в боксерскую перчатку, где мы сможем регистрировать силы удара и контролировать здоровье пользователя», — сказал Чжэн.
«Возможность достижения желаемых механических, электрических и тепловых свойств значительно сократит время и усилия, необходимые для разработки практических материалов», — сказал Шашанк Прия, заместитель вице-президента по исследованиям в Penn State и бывший профессор машиностроения в Virginia Tech.
Новые приложения
Команда напечатала и продемонстрировала 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. Команда напечатала 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. Команда также продемонстрировала 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», — сказал Хуахен Цуй, докторант из Zheng. и первый автор газеты « Материалы природы» . «Здесь сама структура является датчиком — она может контролировать себя».
