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四川大学陈英红教授团队 Compos. Part B-Eng.:一种微波辅助多材料3D打印策略-构筑用于智能感知的层状压电发电机

四川大学陈英红教授团队 Compos. Part B-Eng.:一种微波辅助多材料3D打印策略-构筑用于智能感知的层状压电发电机 高分子科技
2024-07-04
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导读:一种通过微波辅助多材料3D打印策略制备压电器件的新思路...
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压电纳米发电机因具有收集环境中广泛存在机械能的能力,被视为开发绿色可再生能源的理想解决方案。尽管基于热塑性材料挤出成型的3D打印技术可以自由制造压电材料,但制造高性能的三维压电器件仍面临挑战。一方面, 3D打印过程的层间温度梯度将导致制件层间弱界面粘接,所形成的界面缺陷会严重影响压电材料的机械性能和极化效率;另一方面,受传统电极结构(含二维叉指等)限制,常规三维压电厚制件输出电流密度极低。因此,迫切需要研制具有优异层间界面和高效俘能的智能压电器件。



近期,四川大学高分子材料工程国家重点实验室陈英红教授团队报道了一种通过微波辅助多材料3D打印策略制备压电器件的新思路,用于制造周期交错分布的层状压电发电机(图1)。首先,采用多材料3D打印技术制备了压电&导电功能层,通过对压电陶瓷与聚偏氟乙烯基体之间的界面调制,使陶瓷在电场下获得充分极化。基于石墨烯纳米片三维网络结构设计,构建了三维嵌入式电极以大幅提高器件输出电荷密度。随后采用微波辐照技术选择性加热石墨烯纳米片网络以焊接聚合物层间界面,进一步提高压电输出(图2)。压电测试结果表明,三维层状压电发电机的输出电流几乎比传统三明治结构压电发电机高出18倍(图3)。基于上述方法,开发了用于健康监测和摩尔斯电码传输的仿生交替层状义齿,显示了其巨大应用潜力(图4)。

该工作以“A Novel Microwave Assisted Multi-Material 3D Printing Strategy to Architect Lamellar Piezoelectric Generators for Intelligent Sensing为题发表在Composites Part B: Engineering期刊上。文章第一作者为四川大学博士研究生裴浩然,通讯作者为陈英红教授。

1 3D打印PVDF基交替层状压电发电机的流程示意图


2 微波选择性加热GNPs焊接界面


3 交替层状发电机的机电耦合特性


4 仿生交替层状义齿的智能传感应用


该工作是团队关于3D打印制备PVDF基压电纳米发电机的最新研究进展之一。压电纳米发电机的输出能力不仅与所选的材料特性相关,还强烈依赖于器件结构设计。3D打印技术为制备形状/结构复杂的压电器件提供了很好的解决方案。近3年,他们通过熔融沉积成型3D打印技术发展了基于蛇形超材料Nano Energy 2023109108303)、仿生鱼鳞Kirigami结构ACS Appl. Mater. Interfaces 2022,14,15346、多孔支架Composites Part B 2021,225,109312的压电器件,探索了相关结构-性能构效关系,拓展了高分子材料3D打印加工的研究领域和应用前景。


原文链接:

https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2024.111529


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