Virginia Tech Researchers przy użyciu nowej metody do tworzenia materiałów piezoelektrycznych drukowanych w 3D

Te materiały są z natury kruche, ponieważ składają się z ceramiki i kryształu. Występują w kilku kształtach i mogą być wytwarzane tylko w czystym pomieszczeniu, więc ich potencjał nie został zbadany zbyt wiele, zwłaszcza w branży druku 3D. Ale Xiaoyu 'Rayne' Zheng, członek uniwersyteckiego Macromolecules Innovation Institute i adiunkt w dziedzinie inżynierii mechanicznej w College of Engineering, i reszta jego zespołu wyznaczyła nowy sposób na drukowanie materiałów piezoelektrycznych w 3D, aby nie były ograniczone przez kształt lub rozmiar, i mogą być zaprojektowane na przemian w celu przekształcenia stresu, ruchu i uderzenia z dowolnego kierunku w energię elektryczną.

Zespół wyjaśnia dalej swoje badania w artykule zatytułowanym "Trójwymiarowy druk piezoelektryczny materiały o zaprojektowanej anizotropii i reakcji kierunkowej ", która została niedawno opublikowana w czasopiśmie Nature Materials. Współautorami artykułu są Huachen Cui, Ryan Hensleigh, Desheng Yao, Deepam Maurya, Prashant Kumar, Min Gyu Kang, Shashank Priya i Zheng.

Zheng, który ma doświadczenie w drukowaniu 3D zarówno w nanoskali i mikroskali, a jego zespół stworzył model, który pozwala im "manipulować i projektować dowolne stałe piezoelektryczne", co kończy się materiałem reagującym na napływające siły i wibracje oraz generujące i poruszające się, ładunek elektryczny, poprzez zestaw topologii do druku 3D . Dzięki temu użytkownicy mogą nie tylko przepisywać, ale także programować, odpowiedzi napięciowe są odwracane, powiększane lub tłumione w dowolnym kierunku.

"Opracowaliśmy metodę projektowania i platformę drukowania, aby swobodnie projektować czułość i działanie tryby materiałów piezoelektrycznych. Dzięki programowaniu topologii aktywnej 3D można osiągnąć praktycznie dowolną kombinację współczynników piezoelektrycznych w materiale i wykorzystać je jako przetworniki i czujniki, które są nie tylko elastyczne i mocne, ale także reagują na nacisk, wibracje i uderzenia za pomocą sygnałów elektrycznych, które mówią położenie, wielkość i kierunek uderzeń w dowolnym miejscu tych materiałów "wyjaśnia Zheng.

Naturalne kryształy odgrywają rolę w produkcji piezoelektryków, ponieważ orientacja atomów jest ustalona na poziomie atomowym. Naukowcy stworzyli substytut, który naśladuje kryształ, ale jednocześnie umożliwia zmianę orientacji sieci.

"Zsyntetyzowaliśmy klasę bardzo czułych atramentów piezoelektrycznych, które można wyrzeźbić w złożonetrójwymiarowe cechy światła ultrafioletowego ", powiedział Zheng. "Tusze zawierają wysoko skoncentrowane nanokryształy piezoelektryczne połączone z wrażliwymi na UV żelami, które tworzą rozwiązanie - miksturę mleczną, taką jak stopiony kryształ - które drukujemy przy użyciu drukarki 3D o wysokiej rozdzielczości."

3D drukowane materiały piezoelektryczne zostały zademonstrowane w niewielkiej skali, która mierzy tylko ułamki średnicy pojedynczego ludzkiego włosa.

"Możemy dostosować architekturę, aby były bardziej elastyczne i wykorzystywać je, na przykład, jako energię zbierać urządzenia, owijając je wokół dowolnej krzywizny. Możemy uczynić je grubymi, lekkimi, sztywnymi lub absorbującymi energię ", powiedział Zheng.

" Mamy zespół robiący z nich noszone urządzenia, takie jak pierścienie, wkładki i pasujące do rękawicy bokserskiej, gdzie będziemy mogli rejestrować siły uderzenia i monitorować zdrowie użytkownika CD3D .

Materiał jest pięć razy bardziej wrażliwe niż elastyczne polimery piezoelektryczne i możliwe jest dostrajanie i wytwarzanie kształtu i sztywności jako bloku lub cienkiego arkusza.

Priya, wiceprezes ds. badań w Penn State i były profesor inżynierii mechanicznej w Virginia Tech, "Zdolność do osiągnięcia pożądanych właściwości mechanicznych, elektrycznych i cieplnych znacznie zmniejszy czas i wysiłek potrzebny do opracowania praktycznych materiałów."

Naukowcy pracowali nad drukowaniem 3D materiałów i demonstrowanie swoich aplikacji jako inteligentnych materiałów używanych do zbierania energii mechanicznej, owijania wokół zakrzywionej powierzchni i konwersji m otion. Ale nawet poza elektroniką i sprzętem do noszenia, Zheng uważa, że ​​ich praca może być wykorzystana w robotyce, wyczuwaniu dotykowym i inteligentnej infrastrukturze. Następnie struktury mogą być w całości wykonane z materiału piezoelektrycznego, dzięki czemu mogą wykrywać, monitorować i lokalizować wibracje, ruchy i uderzenia.

W celu zademonstrowania przydatności ich materiału do wykrywania lokalizacji spadających uderzeń, również pochłaniając energię uderzenia, zespół 3D wydrukował mały inteligentny most. Dodatkowo stworzyli inteligentny przetwornik, który może przekształcić podwodne sygnały drgań na napięcia elektryczne.

"Tradycyjnie, jeśli chcesz monitorować wewnętrzną wytrzymałość konstrukcji, musisz mieć wiele indywidualnych czujników umieszczonych w całej strukturze, z których każda ma wiele odprowadzeń i złączy. Tutaj sama struktura jest czujnikiem - możemonitoruj się ", powiedział Cui, doktorant z Zheng.