近日，西安交通大學(xué)、西安電子科技大學(xué)兩所高校科研團(tuán)隊聯(lián)手攻關(guān)，突破“卡脖子”技術(shù)，在3D打印壓電器件應(yīng)用領(lǐng)域取得重要突破。

　　據(jù)介紹，通俗來講，壓電器件就像現(xiàn)代醫(yī)療診斷、工業(yè)無損檢測和智能傳感系統(tǒng)的“心臟”，既要性能過硬，又得能做出復(fù)雜結(jié)構(gòu)才能滿足實際需求。3D打印技術(shù)憑借其成型快、設(shè)計靈活的優(yōu)勢，在制造復(fù)雜形狀的壓電元件上展現(xiàn)出巨大潛力。但長期以來，3D打印的壓電陶瓷存在致密性不足、性能不如傳統(tǒng)方法制品等問題，難以投入實際應(yīng)用。

　　這背后隱藏著一連串環(huán)環(huán)相扣的難題：壓電陶瓷粉體尤其是鉛基粉體折射率高，加入打印用的光敏樹脂后，會阻礙紫外線固化，容易導(dǎo)致打印件分層開裂;打印過程中產(chǎn)生的微小缺陷，會讓后續(xù)燒結(jié)后的陶瓷內(nèi)部布滿孔隙;如何設(shè)計匹配的器件結(jié)構(gòu)，讓高性能復(fù)雜陶瓷真正發(fā)揮作用，一直沒有好的解決方案……這些問題成為3D打印壓電器件從實驗室走向?qū)嶋H應(yīng)用的“攔路虎”。

　　針對這一痛點，西安交通大學(xué)蔣莊德院士團(tuán)隊與西安電子科技大學(xué)楊銀堂教授團(tuán)隊聯(lián)手，提出“壓電材料-復(fù)雜結(jié)構(gòu)-器件應(yīng)用”的全鏈條設(shè)計策略，借助數(shù)字光處理技術(shù)(DLP)實現(xiàn)了突破性進(jìn)展。

　　為解決打印固化難題，團(tuán)隊通過仿真計算與實驗研究發(fā)現(xiàn)，將傳統(tǒng)使用的0.6微米壓電陶瓷粉體，優(yōu)化為1.0~1.5微米的粒徑，大幅減少了光散射，讓紫外線順利固化，有效避免了打印件分層開裂的問題，成功打印出邊緣清晰、結(jié)構(gòu)完整的復(fù)雜形狀壓電陶瓷。就連傳統(tǒng)工藝難以實現(xiàn)的8陣元環(huán)形陣列結(jié)構(gòu)也能順利成型。

　　燒結(jié)環(huán)節(jié)中，團(tuán)隊通過精細(xì)調(diào)控工藝，讓陶瓷致密度達(dá)到95%以上且無裂紋。其中，用1.0微米粒徑粉體在1235℃下燒結(jié)的Sm-PMN-PT壓電陶瓷，壓電系數(shù)高達(dá)1285pC/N，性能表現(xiàn)十分優(yōu)異。

　　更關(guān)鍵的是，這項技術(shù)已成功落地到實際器件中。團(tuán)隊利用3D打印制成的8陣元環(huán)形陣列超聲換能器，不僅帶寬達(dá)到60%，脈沖回波峰值電壓更是高達(dá)952毫伏，綜合性能超過現(xiàn)有其他3D打印換能器。

　　成像測試中，該換能器通過動態(tài)聚焦，將成像分辨率提升了10%~55%，能清晰呈現(xiàn)線靶和無損檢測試塊的精細(xì)結(jié)構(gòu)，充分展現(xiàn)了復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來的性能優(yōu)勢。

　　這項成果打通了從材料制備、3D打印到器件集成的完整技術(shù)鏈路，為醫(yī)療診斷、無損檢測等領(lǐng)域的壓電器件定制化設(shè)計開辟了新途徑。目前，相關(guān)研究成果已在國際知名期刊《先進(jìn)材料》(Advanced Materials)上發(fā)表。

　　(記者 任娜 通訊員 鄭坤)