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机械工程师开发三维印刷压电材料的工艺

2019-07-21 15:34所属:糖果派对


  

  XiaoyuRayneZheng,工程学院机械工程助理教授,大创新研究所,他的团队开发了3D打印压电材料的方法,可以定制设计来转换运动,冲击和压力从任何方向到电能。

  压电材料只有几种形状,由脆性晶体和陶瓷制成 - 这种材料需要一个洁净的空间来制造。郑的团队已经开发出一种3D打印这些材料的技术,因此它们不受形状或尺寸的。该材料还可以被激活 - 为触觉传感,冲击和振动监测,能量收集和其他应用提供下一代智能基础设施和智能材料。

  压电材料最初是在19世纪发现的。从那时起,制造技术的进步导致了洁净室的需求和复杂的程序,该程序产生在加工后连接到电子器件的薄膜和块。昂贵的工艺和材料固有的脆性了最大化材料潜力的能力。

  Zheng的团队开发了一种模型,允许他们和设计任意压电,从而通过一组3D可打印拓扑结构,使材料响应来自任何方向的入射力和振动而产生电荷运动。与传统的压电材料不同,其中电荷运动由内在晶体,新方法允许用户和编程电压响应,以便在任何方向上放大,反转或。

  “我们开发了一种设计方法和印刷平台,可以设计压电材料的灵敏度和工作模式,”郑说。“通过编程3D有源拓扑,您可以在材料中实现几乎任何压电系数的组合,并将它们用作传感器和传感器,这些传感器和传感器不仅灵活且强大,而且还通过电信号响应压力,振动和冲击。告诉这些材料在任何内撞击的,大小和方向。“

  当前压电制造中的一个因素是使用的天然晶体。在原子水平上,原子的方向是固定的。郑的团队已经生产出一种模仿晶体的替代品,但允许通过设计改变晶格取向。

  “我们已经合成了一类高灵敏度的压电墨水,可以用紫外光雕刻成复杂的三维特征。墨水含有高浓度的压电纳米晶体,与紫外线的凝胶结合,形成溶液 - 像熔化的乳状混合物水晶 - 我们用高分辨率数字光3D打印机打印,“郑说。

  该团队以一种测量人类头发直径分数的比例展示了3D打印材料。“我们可以定制架构,使它们更灵活,并使用它们,例如,作为能量收集设备,将它们包裹在任意曲率周围,”郑说。“我们可以让它们变厚,轻盈,坚硬或吸收能量。”

  该材料的灵敏度比柔性压电聚合物高5倍。材料的刚度和形状可以调整和生产为类似纱布条的薄片,或者作为硬块。“我们有一个团队将它们变成可穿戴设备,比如戒指,鞋垫,并将它们安装到拳击手套中,我们将能够记录冲击力并用户的健康状况,”郑说。

  “实现所需机械,电气和热性能的能力将大大减少开发实际材料所需的时间和精力,”州立大学研究副研究员兼弗吉尼亚​​理工大学机械工程教授Shashank Priya说。

  该团队印刷并展示了包裹在曲面上的智能材料,佩戴在手和手指上以转换运动,并获得机械能,但应用远远超出可穿戴设备和消费电子产品。Zheng认为该技术是机器人技术,能量收集,触觉传感和智能基础设施的一次飞跃,其结构完全由压电材料制成,冲击,振动和运动,并允许对其进行和定位。该团队已经打印了一个小型智能桥,以展示其对于坠落冲击及其大小的适用性,同时足够强大以吸收冲击能量。该团队还展示了他们应用智能传感器,将水下振动信号转换为电压。

  “传统上,如果你想一个结构的内部强度,你需要在整个结构上放置许多单独的传感器,每个传感器都有许多引线和连接器,”郑医生,郑博士说。和自然材料论文的第一作者。“在这里,结构本身就是传感器 - 它可以自己。”


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