基于3D打印和原位极化的压电复合材料制备研究

Piezoelectric composite materials are employed to serve in various devices such as hydrophones because they combine the advantages of piezoelectric ceramic and polymers. However, the complicated and time-consuming processing procedure of piezoelectric composite materials restricts their industrial applications. In this program, the typical PVDF piezoelectric composite materials are studied to investigate the working mechanisms of direct ink writing and in-situ poling, and to develop the one-step fabrication of piezoelectric composite materials and devices. The study includes: 1) the formation, distribution and control strategy of temperature gradient and residual stress in direct ink writing; 2)the impaction of electric field on ceramic particle distribution and polarization state; 3) the advanced preparation technology for piezoelectric composite materials. This research will clarify the influence mechanism and action law of preparation conditions on material properties, improve the rapid prototyping of piezoelectric composite materials, and establish a solid theoretical and technical foundation for piezoelectric composite material’s applications.

压电复合材料因其结合了压电陶瓷与聚合物材料的长处而成为水听器等器件所使用的材料。然而，复杂的加工方式和漫长的加工流程成为了制约压电复合材料器件应用的瓶颈。本项目将选取具有代表性的PVDF基压电复合材料，研究直写和原位极化工艺及其对性能的影响机理，实现压电复合材料及器件的一站式制备。研究内容包括：1) 直写过程中的温度梯度及残余应力的形成机理、分布特征及调控方法; 2)电场和加载方式对复合材料颗粒分布和极化状态的影响；3）获得高压电性能的复合材料优化制备工艺。 本项目成果将明确制备条件对压电复合材料性能的影响机理和作用规律，有利于推动高性能压电复合材料的快速成型，并为加速其大规模实际应用奠定坚实的理论和技术基础。

本项目设计并搭建了利用高压电源的原位极化直写电纺装置，制备了包括聚偏二氟乙烯三氟乙烯（P(VDF-TrFE)）、锆钛酸铅/聚偏二氟乙烯三氟乙烯（PZT/P(VDF-TrFE)）和Fe3O4/P(VDF-TrFE)在内的一系列PVDF基复合材料，并使用这些复合材料制成了柔性传感器和柔性能量回收器。我们发现，与平板接收器相比，滚筒接收器可以得到更有序的P(VDF-TrFE)。因此，我们利用滚筒接收器改进了直写装置。我们系统研究了不同直写参数对P(VDF-TrFE)纤维形貌的影响，采用最佳参数制备出了表面平整、直径均一的铁电共聚物纤维。在此基础上，我们制备了PZT/P(VDF-TrFE)复合材料并系统研究了材料性能。在制备Fe3O4/P(VDF-TrFE)复合材料的过程中，我们采用覆盖有柔性平行铜电极的高转速滚筒作为接收器。与传统的全电极接收器相比，平行电极接收器可获得更有序的纳米纤维，且更有利于β相的形成。此外，我们利用水热法制备了SiO2包覆的Fe3O4颗粒，并利用该颗粒制备了原位极化的Fe3O4/P(VDF-TrFE)复合材料，同时制造了一个基于该有序P(VDF-TrFE)的能量回收器件。该器件展示了良好的压电响应效果，在外加周期作用磁场下，可以产生高达1 V的开路电压。这些结果显示了有序P(VDF-TrFE)纳米纤维在自供电和可穿戴设备上的应用潜力。为了评估复合材料的压电性能，有必要精确测量复合材料的材料常数，其中部分材料常数的测量方法基于IEEE标准中给出的薄圆盘一维径向振动模型。我们对薄压电圆盘的径向振动进行了渐近分析，推导得出的二阶渐近解与数值模拟的结果一致。我们还确定了IEEE标准中一维振动模型的适用范围。