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作 者

李凱、范素峰、王曉英、陸洋

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機 構(gòu)

寧波大學(xué)、鄭州大學(xué)、香港大學(xué)

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Citation

Li K, Fan S F, Wang X Y, Lu Y. 2025. 3D nanoprinting piezoceramic with large elastic deformation and high piezoelectricity. Int. J. Extrem. Manuf.7045006.

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https://doi.org/10.1088/2631-7990/adbe18

撰稿 | 文章作者

01

文章導(dǎo)讀

壓電陶瓷高分辨率結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于高性能傳感器及執(zhí)行器中。近年來，研究人員發(fā)展了多種壓電陶瓷三維（3D）打印方法，然而，如何實現(xiàn)納米尺度3D結(jié)構(gòu)的高質(zhì)量增材制造，同時滿足大彈性應(yīng)變和高壓電性成為一個重要挑戰(zhàn)。鑒于此，寧波大學(xué)李凱副教授聯(lián)合香港大學(xué)陸洋教授團隊在SCI期刊《極端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上共同發(fā)表《3D納米打印大彈性高壓電性陶瓷結(jié)構(gòu)》，提出了納米尺度3D打印新方法，通過定域熱輻射黏化打印溶液，利用電流體動力效應(yīng)誘導(dǎo)精細射流，同時定向施加靜電力和拉伸力，從而實現(xiàn)納米尺度自由形狀陶瓷結(jié)構(gòu)可控打印制造；采用100 μm內(nèi)徑噴針打印了多種三維PZT納米結(jié)構(gòu)（分辨率~40 nm，深寬比~400），PZT納米結(jié)構(gòu)具有標準鈣鈦礦晶體形態(tài)、大彈性應(yīng)變（伸長率≈13%）和媲美塊材的高壓電性能（d31≈(236.5×10?12) C·N?1）。

02

圖文解析

本研究提出了一種納米尺度電噴打印方法來制造PZT復(fù)雜2D圖形及高深寬比3D結(jié)構(gòu)：利用熱輻射與電流體動力復(fù)合效應(yīng)在噴針口處形成高黏度PZT納米射流，同時借助電誘導(dǎo)定向變形和原位熱固化，實現(xiàn)納米尺度高性能壓電陶瓷結(jié)構(gòu)的打印制造。通過優(yōu)化調(diào)控多物理場參數(shù)，靈活可控打印了40 nm分辨率、400深寬比的各種PZT結(jié)構(gòu)及微納跨尺度復(fù)合3D結(jié)構(gòu)（如圖1所示）。

圖1打印的各種納米結(jié)構(gòu)及工藝能力對比。

研究了PZT打印結(jié)構(gòu)的后處理工藝，XRD、拉曼測試和EDS表明680 ℃燒結(jié)后PZT結(jié)構(gòu)充分結(jié)晶，獲得了標準多晶鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)；利用FIB制備了TEM測試用PZT納米片（~90 nm），TEM結(jié)果表明PZT結(jié)構(gòu)內(nèi)部致密無缺陷，微觀組織結(jié)果說明本研究提出的納米尺度3D打印方法及熱處理工藝可實現(xiàn)表面形貌光滑和內(nèi)部均勻壓電陶瓷結(jié)構(gòu)的制造。

圖2PZT結(jié)晶后的微觀組織特征。

基于原位SEM拉伸測試原理，研究了PZT納米結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，利用高分辨率納米壓頭記錄的力-位移數(shù)據(jù)，獲得了PZT納米結(jié)構(gòu)拉伸的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，PZT納米結(jié)構(gòu)最大延伸率為12.94%；計算得出楊氏模量為60?80 GPa，遠小于PZT厚膜、塊體PZT的楊氏模量。這種異于塊體PZT結(jié)構(gòu)的大應(yīng)變特征得益于打印過程熱輻射加速溶劑蒸發(fā)，獲得了高黏PZT納米射流，減少了后處理過程中溶劑揮發(fā)造成的內(nèi)部空洞與表/界面缺陷。

圖3PZT納米結(jié)構(gòu)的實驗力學(xué)特性。

利用各向異性濕法刻蝕方法制備了梯度尺寸的硅掩模，提出了基于直線傳播的定向光束準直掩模對準方法和硅掩模輔助濺射方法，并利用此方法制備了PZT結(jié)構(gòu)兩側(cè)電極，壓電響應(yīng)測試表明PZT結(jié)構(gòu)的壓電常數(shù)d31為236.5×10?12 C·N?1，展現(xiàn)出高壓電性能。打印制備了節(jié)肢動物纖毛氣流感知啟發(fā)的流速傳感器，實現(xiàn)了超低風速的探測。

圖4PZT結(jié)構(gòu)的壓電特征及仿生氣流傳感器。

03

總結(jié)與展望

本研究面向納米尺度壓電3D結(jié)構(gòu)的制造需求，針對現(xiàn)有電噴打印特征尺度限制和結(jié)構(gòu)缺陷的難題，以實現(xiàn)壓電3D結(jié)構(gòu)納米分辨率、大彈性應(yīng)變和高壓電性能的可控打印為目標，提出了附加物理場調(diào)控的納米尺度電噴3D打印新方法，研究了電噴射流的定域聚焦機理及定向控形機制，實現(xiàn)了多種納米尺度復(fù)雜2D圖形及高深寬比3D結(jié)構(gòu)的打印制造，為高分辨率3D功能結(jié)構(gòu)及其器件的增材制造提供了可行方案。

04

作者簡介

李凱

寧波大學(xué)

第一作者、共同通訊作者：李凱，寧波大學(xué)機械工程與力學(xué)學(xué)院副教授、博士生導(dǎo)師，2020年5月博士畢業(yè)于大連理工大學(xué)機械工程學(xué)院，入選寧波市“甬江引才工程”青年創(chuàng)新人才、寧波市“拔尖人才”，寧波大學(xué)“力學(xué)+”交叉學(xué)科拔尖創(chuàng)新青年基金、胡嵐優(yōu)秀博士基金獲得者。主要研究方向為微納3D打印、微納功能結(jié)構(gòu)及器件，主持國家自然科學(xué)基金、中國博士后基金、省自然科學(xué)基金、人才項目等近20項，在《International Journal of Extreme Manufacturing》《Chemical Engineering Journal》等期刊發(fā)表研究論文30余篇；以第一導(dǎo)師指導(dǎo)學(xué)生獲“挑戰(zhàn)杯”全國特等獎一項、“互聯(lián)網(wǎng)+”全國銀獎一項；擔任福建省教育評估專家、《Nanotechnology and Precision Engineering》期刊青年編委。

陸洋

香港大學(xué)

共同通訊作者：陸洋，香港大學(xué)工學(xué)院副院長，機械工程系講席教授，HKU-100 Scholar（港大百人學(xué)者），主要研究領(lǐng)域為微納米力學(xué)及先進制造，以第一或通訊作者在《Science》《Nature Nanotechnology》《Nature Materials》等學(xué)術(shù)刊物發(fā)表文章200余篇，并擔任國際期刊《Materials Today》的副主編以及《國家科學(xué)評論》、《中國科學(xué): 技術(shù)科學(xué)》《Acta Mechanica Sinica》等學(xué)術(shù)期刊的編委。獲得香港大學(xué)教育資助委員會(UGC)「杰出青年學(xué)者獎 2013/14」，2017 年香港城市大學(xué)「校長獎」以及2019 年度「杰出研究獎(青年學(xué)者)」，并入選并完成首屆(2019 年)國家自然科學(xué)基金(NSFC)「優(yōu)秀青年科學(xué)基金(港澳)」項目，以及入選首屆香港研究資助局(RGC)「研資局研究學(xué)者計劃 2020/21」，并于2022年當選為香港青年科學(xué)院（YASHK）成員。

關(guān)于期刊

International Journal of Extreme Manufacturing(《極端制造》），簡稱IJEM，致力于發(fā)表極端制造領(lǐng)域相關(guān)的高質(zhì)量最新研究成果。自2019年創(chuàng)刊至今，期刊陸續(xù)被SCIE、EI、Scopus等20余個國際數(shù)據(jù)庫收錄。JCR最新影響因子16.1，位列工程/制造學(xué)科領(lǐng)域第一。中科院分區(qū)工程技術(shù)1區(qū)，TOP期刊。入選中國科技期刊卓越行動計劃二期英文領(lǐng)軍期刊。

期刊網(wǎng)址：

https://iopscience.iop.org/journal/2631-7990

http://ijemnet.com/

期刊投稿：

https://mc04.manuscriptcentral.com/ijem-caep

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撰稿：作者 編輯：梁煜 審核：范珂艷 關(guān)利超

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