Mekaniske ingeniører udvikler proces til 3-D-print af piezoelektriske materialer

De piezoelektriske materialer, der bebor alt fra vores mobiltelefoner til musikalske lykønskningskort, får muligvis en opgradering takket være arbejde diskuteret i journalen Naturmaterialer udgivet online 21. januar.

Xiaoyu 'Rayne' Zheng, assisterende professor i maskinteknik på College of Engineering, og medlem af Macromolecules Innovation Institute, og hans team har udviklet metoder til 3D-print af piezoelektriske materialer, der kan specialdesignes til at konvertere bevægelse, påvirkning og stress fra alle retninger til elektrisk energi.

"Piezoelektriske materialer omdanner belastning og stress til elektriske ladninger, " forklarede Zheng.

De piezoelektriske materialer findes kun i nogle få definerede former og er lavet af skør krystal og keramik - den slags, der kræver et rent rum at fremstille. Zhengs team har udviklet en teknik til 3D-print af disse materialer, så de ikke er begrænset af form eller størrelse. Materialet kan også aktiveres - giver den næste generation af intelligente infrastrukturer og smarte materialer til taktil sansning, overvågning af stød og vibrationer, energihøst, og andre applikationer.

Slip friheden løs til at designe piezoelektrik

Piezoelektriske materialer blev oprindeligt opdaget i det 19. århundrede. Siden da har fremskridtene inden for fremstillingsteknologi ført til kravet om rene rum og en kompleks procedure, der producerer film og blokke, som er forbundet med elektronik efter bearbejdning. Den dyre proces og materialets iboende skørhed, har begrænset muligheden for at maksimere materialets potentiale.

Zhengs team udviklede en model, der giver dem mulighed for at manipulere og designe vilkårlige piezoelektriske konstanter, hvilket resulterer i, at materialet genererer elektrisk ladningsbevægelse som reaktion på indkommende kræfter og vibrationer fra enhver retning, via et sæt 3-D printbare topologier. I modsætning til konventionel piezoelektrik, hvor elektrisk ladningsbevægelser er foreskrevet af de iboende krystaller, den nye metode giver brugerne mulighed for at ordinere og programmere spændingssvar, der skal forstørres, vendt eller undertrykt i enhver retning.

"Vi har udviklet en designmetode og en printplatform til frit at designe følsomheden og driftstilstandene for piezoelektriske materialer, " sagde Zheng. "Ved at programmere den 3-D aktive topologi, du kan opnå stort set enhver kombination af piezoelektriske koefficienter i et materiale, og bruge dem som transducere og sensorer, der ikke kun er fleksible og stærke, men reagerer også på pres, vibrationer og stød via elektriske signaler, der fortæller placeringen, størrelsen og retningen af ​​påvirkningerne inden for ethvert sted af disse materialer."

3-D print af piezoelektrik, sensorer og transducere

En faktor i den nuværende piezoelektriske fremstilling er den anvendte naturlige krystal. På atomniveau, orienteringen af ​​atomer er faste. Zhengs team har produceret en erstatning, der efterligner krystallen, men giver mulighed for, at gitterets orientering kan ændres ved design.

"Vi har syntetiseret en klasse af meget følsomme piezoelektriske blæk, der kan skulptureres til komplekse tredimensionelle funktioner med ultraviolet lys. Blækkerne indeholder højkoncentrerede piezoelektriske nanokrystaller bundet med UV-følsomme geler, som danner en opløsning - en mælkeagtig blanding som smeltet krystal - som vi udskriver med en digital lys 3D-printer i høj opløsning, " sagde Zheng.

Holdet demonstrerede de 3-D-printede materialer i en skala, der måler fraktioner af diameteren af ​​et menneskehår. "Vi kan skræddersy arkitekturen til at gøre dem mere fleksible og bruge dem, for eksempel, som energiopsamlingsudstyr, vikle dem rundt om enhver vilkårlig krumning, " sagde Zheng. "Vi kan gøre dem tykke, og lys, stiv eller energiabsorberende."

Materialet har følsomheder 5 gange højere end fleksible piezoelektriske polymerer. Materialets stivhed og form kan indstilles og fremstilles som et tyndt lag, der ligner en strimmel gaze, eller som en stiv blok. "Vi har et team, der gør dem til bærbare enheder, som ringe, indlægssåler, og montere dem i en boksehandske, hvor vi vil være i stand til at registrere stødkræfter og overvåge brugerens helbred, " sagde Zheng.

"Evnen til at opnå den ønskede mekaniske, elektriske og termiske egenskaber vil betydeligt reducere den tid og indsats, der er nødvendig for at udvikle praktiske materialer, " sagde Shashank Priya, associeret VP for forskning ved Penn State og tidligere professor i maskinteknik ved Virginia Tech.

Nye applikationer

Holdet har printet og demonstreret smarte materialer viklet rundt om buede overflader, båret på hænder og fingre for at konvertere bevægelse, og høste den mekaniske energi, men applikationerne rækker langt ud over wearables og forbrugerelektronik. Zheng ser teknologien som et spring ind i robotteknologi, energihøst, taktil sansning og intelligent infrastruktur, hvor en struktur udelukkende er lavet af piezoelektrisk materiale, føler påvirkninger, vibrationer og bevægelser, og gør det muligt for dem at blive overvåget og lokaliseret. Holdet har printet en lille smart bro for at demonstrere dens anvendelighed til at registrere placeringen af ​​faldende stød, såvel som dens størrelse, samtidig robust nok til at absorbere stødenergien. Holdet demonstrerede også deres anvendelse af en smart transducer, der konverterer undervandsvibrationssignaler til elektriske spændinger.

"Traditionelt hvis du ønsker at overvåge den indre styrke af en struktur, du skal have en masse individuelle sensorer placeret over hele strukturen, hver med et antal ledninger og stik, " sagde Huachen Cui, en ph.d.-studerende med Zheng og førsteforfatter af Naturmaterialer papir. "Her, selve strukturen er sensoren - den kan overvåge sig selv."