增材制造壓電陶瓷的現(xiàn)狀與展望

劉凱, 孫策, 史玉升, 胡佳明, 張慶慶, 孫云飛, 章嵩, 涂溶, 閆春澤, 陳張偉, 黃尚宇, 孫華君

增材制造壓電陶瓷的現(xiàn)狀與展望

劉凱1,2, 孫策2, 史玉升3, 胡佳明2, 張慶慶2, 孫云飛2, 章嵩4, 涂溶4, 閆春澤3, 陳張偉5, 黃尚宇2, 孫華君1

(1. 武漢理工大學(xué) 硅酸鹽建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430070; 2. 武漢理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 武漢 430070; 3. 華中科技大學(xué) 材料成形與模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430074; 4. 武漢理工大學(xué) 材料復(fù)合新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430070; 5. 深圳大學(xué) 增材制造研究所, 深圳 518060)

壓電陶瓷作為一類(lèi)重要的功能陶瓷材料, 具備高強(qiáng)度、高硬度、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn), 可實(shí)現(xiàn)機(jī)械能和電能間的相互轉(zhuǎn)換, 常被用于制備傳感器、驅(qū)動(dòng)器、電容器等壓電器件, 在海洋探測(cè)、生物醫(yī)療、電子通訊等高端裝備中發(fā)揮著重要作用。針對(duì)高端技術(shù)領(lǐng)域?qū)弘姽δ芷骷悄芑?、集成化、輕量化的發(fā)展需求, 壓電陶瓷的外形和結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜。注漿、注射、模壓、切割等傳統(tǒng)的壓電陶瓷制造工藝, 大多需借助模具或刀具完成, 很難甚至無(wú)法制造具有中空、懸垂等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷, 制約了壓電功能器件的進(jìn)一步發(fā)展。增材制造技術(shù)基于逐層累加原理可實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)快速定制, 具有成型效率高、無(wú)需模具等優(yōu)點(diǎn), 可滿足個(gè)性化、整體化、復(fù)雜化制造需求, 近年來(lái)受到國(guó)內(nèi)外壓電陶瓷領(lǐng)域研究人員的廣泛關(guān)注。本文從粉體、漿料、塊材三種原材料形態(tài)角度, 綜述了當(dāng)前增材制造壓電陶瓷的主要工藝種類(lèi)及發(fā)展現(xiàn)狀, 綜合對(duì)比了各種工藝成型特點(diǎn); 介紹了增材制造壓電陶瓷在不同領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展; 最后, 總結(jié)和展望了增材制造壓電陶瓷所面臨的挑戰(zhàn)和未來(lái)可能的發(fā)展趨勢(shì)。

壓電陶瓷; 增材制造; 工藝種類(lèi); 結(jié)構(gòu); 應(yīng)用; 綜述

壓電陶瓷不僅具備陶瓷材料高強(qiáng)度、高硬度、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn), 而且能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械能和電能的相互轉(zhuǎn)換, 常被用于制作傳感器、驅(qū)動(dòng)器或換能器等功能器件[1-2]。隨著高端技術(shù)領(lǐng)域?qū)弘姽δ芷骷悄芑?、集成化、輕量化的發(fā)展需求, 要求壓電陶瓷的外形和結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜[3]。壓電陶瓷的注漿、注射、模壓、切割等傳統(tǒng)制造工藝, 大多需借助模具完成, 難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件成型, 在一定程度上制約了復(fù)雜結(jié)構(gòu)壓電陶瓷的設(shè)計(jì)和制造[4]。

增材制造技術(shù)基于逐層累加原理可實(shí)現(xiàn)任意三維零件的快速定制, 特別適合復(fù)雜結(jié)構(gòu)壓電陶瓷制造。目前常用的壓電陶瓷增材制造工藝根據(jù)所用原材料的不同形態(tài)可分為: 1)基于粉體的增材制造工藝: 激光選區(qū)燒結(jié)(Selective Laser Sintering, SLS)、黏結(jié)劑噴射(Binder Jetting, BJ)等; 2)基于漿料的增材制造工藝: 立體光刻(Stereolithography Apparatus, SLA)、數(shù)字光處理(Digital Light Processing, DLP)、墨水噴射(Ink-Jet Printing, IJP)、墨水直寫(xiě)(Direct Ink Writing, DIW)等; 3)基于塊材的增材制造工藝: 熔融沉積(Fused Deposition Modeling, FDM)、薄材疊層成型(Laminated Object Manufacturing, LOM)等。圖1為近二十年來(lái)增材制造壓電陶瓷學(xué)術(shù)論文的工藝類(lèi)型及發(fā)表數(shù)量的統(tǒng)計(jì)。隨著增材制造技術(shù)發(fā)展日趨成熟, 壓電陶瓷增材制造技術(shù)發(fā)展迅速。其中, 基于漿料的壓電陶瓷增材制造工藝最為突出。

圖1 增材制造壓電陶瓷論文發(fā)表情況(SCI數(shù)據(jù)庫(kù))

(a) Proportion of published literature of each process; (b) Number of papers published at each stage

SLS: Selectivelaser sintering; BJ: Binder jetting; SLA: Stereolithography apparatus; IJP: Ink-jet printing; DLP: Digital light processing; DIW: Direct ink writing; FDM: Fused deposition modeling; LOM: Laminated object manufacturing

增材制造壓電陶瓷已成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn), 但對(duì)其發(fā)展現(xiàn)狀與未來(lái)趨勢(shì)的綜述論文較少。為此, 本文總結(jié)和分析了當(dāng)前增材制造壓電陶瓷的工藝種類(lèi)及應(yīng)用現(xiàn)狀, 提出了該領(lǐng)域仍然面臨的問(wèn)題與挑戰(zhàn), 以及未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 工藝種類(lèi)

1.1 基于粉體的壓電陶瓷增材制造技術(shù)

1.1.1 激光選區(qū)燒結(jié)

激光選區(qū)燒結(jié)(Selective Laser Sintering, SLS)工藝?yán)酶吣芗す馐凑疹A(yù)先設(shè)置好的切片模型掃描粉床表面, 使粉末熔化黏結(jié)形成所需截面形狀, 隨后進(jìn)行下一層粉末的鋪設(shè)及燒結(jié), 進(jìn)而逐層堆疊成三維零件[5]。SLS工藝依據(jù)制造過(guò)程中是否使用黏結(jié)劑可分為間接SLS[6]和直接SLS[7]。間接SLS所用聚合物黏結(jié)劑需通過(guò)后續(xù)脫脂、燒結(jié)等工藝去除, 以實(shí)現(xiàn)陶瓷構(gòu)件的致密化。本團(tuán)隊(duì)采用間接SLS工藝制備了Al2O3[8]、ZrO2[9]、高嶺土[10]及SiC[11]等陶瓷構(gòu)件, 提出了SLS用陶瓷復(fù)合粉末的溶劑蒸發(fā)、溶解沉淀等制備工藝方法, 探討了SLS成型、等靜壓、高溫?zé)Y(jié)工藝因素對(duì)陶瓷組織性能的影響規(guī)律。

直接SLS根據(jù)所用激光功率的不同, 能夠促進(jìn)陶瓷顆粒的部分或完全熔化, 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)粉末材料成型與燒結(jié)的一體化。Kuznetsov等[12-13]采用25 W的Nd:YAG激光器制備了塊體PZT陶瓷, 但由于低功率激光僅能熔化陶瓷顆粒表層, 無(wú)法完全消除松堆顆粒間的孔隙, 故其相對(duì)密度不足50%。通過(guò)提高激光功率可有效解決這一問(wèn)題, Amit等[14]利用500 W的Nd:YAG激光器, 通過(guò)同軸送粉的方式在316L不銹鋼基板上制備出了相對(duì)密度達(dá)到90%的無(wú)裂紋PZT壓電陶瓷。

1.1.2 黏結(jié)劑噴射成型

黏結(jié)劑噴射(Binder Jetting, BJ)技術(shù)是通過(guò)噴嘴將黏結(jié)劑按照零件CAD切片信息涂敷到預(yù)先鋪好的粉床上, 黏結(jié)劑與粉末材料固化結(jié)合以形成當(dāng)前層的截面形狀, 并逐層累加直到打印完成, 其無(wú)需高能激光器, 成本較低[15]。

影響B(tài)J成型件精度和致密度的一個(gè)重要因素是黏結(jié)劑飽和度, 其主要受黏結(jié)劑劑量、鋪粉密度、黏結(jié)劑的潤(rùn)濕性和流變性的影響[16]。Gaytan等[17]研究了黏結(jié)劑劑量和燒結(jié)溫度對(duì)BTO壓電陶瓷致密度的影響, 發(fā)現(xiàn)成型件的密度與黏結(jié)劑飽和度成反比, 與燒結(jié)溫度成正比。Sufiiarove等[18]也發(fā)現(xiàn)黏結(jié)劑飽和度過(guò)高或過(guò)低都會(huì)使燒結(jié)后的壓電陶瓷發(fā)生開(kāi)裂, 只有恰當(dāng)?shù)酿そY(jié)劑飽和度才能實(shí)現(xiàn)圖2所示復(fù)雜結(jié)構(gòu)壓電陶瓷的成型。Schult等[19]則發(fā)現(xiàn)隨粉末粒徑增大, 坯體內(nèi)部的黏結(jié)劑飽和度降低, 且燒結(jié)后的體積收縮率也顯著下降。

BJ技術(shù)成型效率較高, 設(shè)備成本低, 且能夠根據(jù)成型件尺寸進(jìn)行自由拓展, 工藝幾乎不受陶瓷材料種類(lèi)限制, 能夠滿足對(duì)表面精度要求不高的各種尺寸及種類(lèi)的多孔壓電陶瓷材料的制備條件。

整體來(lái)看, 基于粉體的增材制造壓電陶瓷表面質(zhì)量較差、孔隙相對(duì)較多, 為提升上述工藝成型質(zhì)量, 需對(duì)增材制造用陶瓷粉體堆垛規(guī)律、粉體固化機(jī)理及快速致密化燒結(jié)等方面開(kāi)展進(jìn)一步研究。

1.2 基于漿料的壓電陶瓷增材制造技術(shù)

1.2.1 立體光刻成型

立體光刻(Stereolithography Apparatus, SLA)技術(shù)能夠制備微米級(jí)分辨率的高精度構(gòu)件, 具有成型速度快、表面光潔度好等優(yōu)點(diǎn)[20]。其原理是利用掃描振鏡控制紫外光束, 使成型區(qū)域內(nèi)含有壓電陶瓷顆粒的光敏樹(shù)脂發(fā)生交聯(lián)固化, 以實(shí)現(xiàn)壓電陶瓷坯體的成型[21]。與其他采用黏結(jié)劑的增材制造技術(shù)類(lèi)似, SLA制備的坯體同樣需要經(jīng)過(guò)脫脂和燒結(jié), 以實(shí)現(xiàn)壓電陶瓷構(gòu)件的致密化。

SLA需要著重關(guān)注光敏漿料的可打印性, 這與漿料流變行為和固化性能密切相關(guān)。一方面要求漿料具有較低的黏度(<3000 mPa·s)[22], 以便在打印過(guò)程中可以在刮刀和自身重力作用下恢復(fù)平整; 另一方面, 為使坯體具有較好的結(jié)合強(qiáng)度, 漿料必須具有較強(qiáng)的固化能力。此外, 為了得到高性能壓電陶瓷構(gòu)件, 漿料的固相含量應(yīng)盡可能高[23-24]。需要平衡漿料的黏度、固化能力和固相含量三者間的關(guān)系。Dufaud等[25-27]研究了固相含量、表面活性劑用量、溫度和樹(shù)脂性質(zhì)對(duì)PZT懸浮液流變性能的影響, 發(fā)現(xiàn)漿料粘度隨固相含量的提高而增大。漿料的固化能力與所用陶瓷粉末對(duì)紫外光的散射有關(guān), Zhang等[28]的研究表明實(shí)際成型過(guò)程中, 當(dāng)陶瓷顆粒尺寸接近激光波長(zhǎng)時(shí), 散射最強(qiáng)。此外, 陶瓷顆粒與樹(shù)脂的折射率相差較大時(shí), 也會(huì)發(fā)生強(qiáng)散射現(xiàn)象。

圖2 黏結(jié)劑噴射技術(shù)成型晶格結(jié)構(gòu)壓電陶瓷[18]

Left: Green body; Right: Sintering part

SLA技術(shù)發(fā)展歷史較長(zhǎng), 具有技術(shù)成熟、打印精度高、表面質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn), 逐漸成為復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷成型的重要工藝方法。由于SLA使用點(diǎn)光源進(jìn)行固化, 成型速度較慢。且成型時(shí)整個(gè)坯體自底層向高層逐步疊加, 需要較多的漿料進(jìn)行支撐, 導(dǎo)致制造成本增加。

1.2.2 數(shù)字光處理成型

目前常用的數(shù)字光處理(Digital Light Processing, DLP)技術(shù)是Chabok等[29]開(kāi)發(fā)的一類(lèi)面光源下投影、零件向上提拉的光固化成型技術(shù), 核心部件為包含了約200萬(wàn)個(gè)相互連接的微型顯微鏡陣列的數(shù)字微鏡設(shè)備(Digital Micromirror Devices, DMDs)。打印過(guò)程中通過(guò)程序控制微鏡偏轉(zhuǎn), 使得紫外光選擇性透過(guò), 以獲得預(yù)設(shè)的截面形狀[30]。DLP成型過(guò)程中, 漿料的固化發(fā)生在上一成型層與料缸底部間的極小區(qū)域, 避免了SLA中刮刀重涂帶動(dòng)高粘度漿料產(chǎn)生的剪切力破壞成型件, 也能更精確地控制切片高度。

DLP工藝同樣需要平衡漿料粘度、固化能力和固相含量三者間的關(guān)系。Zeng等[31]通過(guò)延長(zhǎng)曝光時(shí)間來(lái)提高固化深度, 實(shí)現(xiàn)了采用固含量為70%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的BTO漿料進(jìn)行打印。但過(guò)長(zhǎng)的曝光時(shí)間顯著降低了成型效率和精度。DLP倒置的成型方式要求成型件與基板應(yīng)形成良好的結(jié)合, 以免離型過(guò)程中坯體掉落、脫版等現(xiàn)象的發(fā)生。武漢理工大學(xué)劉凱[32]針對(duì)壓電陶瓷漿料固化難的問(wèn)題, 系統(tǒng)研究了光敏單體、固相含量及曝光時(shí)間對(duì)漿料固化深度的影響規(guī)律, 提出了高固含量陶瓷漿料組分設(shè)計(jì)與制備方法。在此基礎(chǔ)上, 為提高DLP成型效率, 提出了基于分層曝光策略(圖3(a))的壓電陶瓷DLP成型工藝方法, 通過(guò)適當(dāng)延長(zhǎng)與基板接觸的底層模型的曝光時(shí)間, 縮短遠(yuǎn)離基板的高層模型的曝光時(shí)間, 有效提高了打印效率和層間結(jié)合強(qiáng)度, 也減少了燒結(jié)件內(nèi)部缺陷, 提高了成型質(zhì)量, 最終制備了圖3(b)所示的致密BTO壓電陶瓷。此外, 通過(guò)減小分層厚度也可以提高PZT等難固化漿料的成型性能[33-34]。

為消除陶瓷顆粒的散射作用對(duì)固化過(guò)程的影響, Magdassi等[35]開(kāi)發(fā)了一種用于制備BTO陶瓷的低粘度無(wú)顆粒光敏溶膠, 利用乙酸鋇、四異丙醇鈦等原料制備漿料, 打印成前驅(qū)體坯體, 隨后通過(guò)燒結(jié)直接獲得BTO壓電陶瓷(圖3(c, d))。

與SLA相比, DLP具有較高的成型效率, 但受到成型缸尺寸限制, 目前還無(wú)法制備大尺寸壓電陶瓷構(gòu)件。

1.2.3 墨水噴射成型

墨水噴射(Ink-Jet Printing, IJP)是在BJ技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái), 用噴墨打印機(jī)直接將壓電陶瓷顆粒和黏結(jié)劑的混合漿料按照計(jì)算機(jī)指令逐步噴射到載體上, 形成具有預(yù)設(shè)外形和尺寸的壓電陶瓷坯體[29]。

圖3 分層曝光策略示意圖(a)及燒結(jié)件微觀形貌照片(b)[32], 數(shù)字光處理成型前驅(qū)體坯體照片(c)及燒結(jié)后的 BTO樣品照片(d)[35], 黏結(jié)劑噴射成型PZT陶瓷微陣列照片(e)[37]

根據(jù)供墨的形式不同, IJP可分為連續(xù)噴墨和按需滴落兩種。目前主流的墨水噴射方式是熱力或壓電驅(qū)動(dòng)的按需滴落。Noguera等[36-37]利用壓電驅(qū)動(dòng)的按需滴落IJP技術(shù)實(shí)現(xiàn)了圖3(e)所示一系列微型PZT柱體的打印, 其最小分辨率達(dá)到了43 μm。但高分辨率也意味著成型效率大幅度降低。高質(zhì)量的IJP墨水要求所用粉體在不會(huì)阻塞噴嘴的前提下能夠均勻分散在溶劑中, 同時(shí)體系應(yīng)具有合適的粘度(小于30 mPa·s),以保證打印順利進(jìn)行[38]。Derby等[39-40]研究了混合時(shí)間、分散劑用量、固相含量以及研磨方法對(duì)PZT墨水打印性能的影響。發(fā)現(xiàn)墨水粘度與球磨時(shí)間、固相含量成反比。而加入分散劑可降低墨水粘度, 但其用量有一最優(yōu)值(質(zhì)量百分比1%)。

LJP僅適用于制備小型壓電陶瓷構(gòu)件, 由于墨水粘度低、保形性差, 無(wú)法設(shè)計(jì)支撐結(jié)構(gòu), 限制了其可打印構(gòu)件的復(fù)雜性及結(jié)構(gòu)可控性。

1.2.4 墨水直寫(xiě)成型

墨水直寫(xiě)(Direct Ink Writing, DIW)技術(shù)是一種基于材料擠出成型的增材制造技術(shù), 打印過(guò)程中配置好的陶瓷漿料通過(guò)直寫(xiě)噴頭擠出并沉積到基板上, 這種噴頭通常是由氣體或機(jī)械裝置驅(qū)動(dòng)的針管[29]。DIW設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單, 在壓電陶瓷增材制造中的應(yīng)用也最為廣泛。

DIW所用漿料應(yīng)具有良好的粘彈性, 以便在噴嘴的剪切作用下形成連續(xù)長(zhǎng)絲, 并實(shí)現(xiàn)自支撐來(lái)維持完整的結(jié)構(gòu)形狀。武漢理工大學(xué)劉凱等[41]研究了分散劑種類(lèi)及含量對(duì)漿料可打印性的影響規(guī)律, 揭示了燒結(jié)溫度對(duì)DIW打印壓電陶瓷微觀組織及致密度的影響機(jī)制(圖4(a))。研究表明, 燒結(jié)溫度較低時(shí), 燒結(jié)件內(nèi)部晶粒較小且存在無(wú)定形相, 隨著燒結(jié)溫度升高, 燒結(jié)件內(nèi)部晶界逐漸清晰, 進(jìn)一步提高燒結(jié)溫度則會(huì)引起晶粒的過(guò)度長(zhǎng)大, 隨后通過(guò)一系列優(yōu)化步驟制備了圖4(b)所示木堆結(jié)構(gòu)PZT壓電陶瓷, 填充樹(shù)脂后壓電常數(shù)達(dá)103 pC/N。Walton 等[42-43]則借助噴嘴的剪切作用實(shí)現(xiàn)了漿料內(nèi)部填料的定向排列, 從而制備出具有織構(gòu)的壓電陶瓷。

由于DIW無(wú)法實(shí)現(xiàn)支撐設(shè)計(jì), 故很少采用保形性差的水性漿料。為此, Renteria等[44]開(kāi)發(fā)了基于水性漿料的冷凍擠出DIW工藝及溶劑蒸發(fā)DIW工藝[45], 成功實(shí)現(xiàn)了BTO、PZT壓電陶瓷的成型, 并在后續(xù)工作中研究了粉末粒徑、級(jí)配、噴嘴直徑、打印速度等因素對(duì)成型質(zhì)量的影響[46-47], 制備了性能優(yōu)異的壓電陶瓷。

DIW漿料固相含量高的特點(diǎn)使其可以打印出較為致密的坯體, 這有利于提高燒結(jié)件致密度以及制備具有大跨度、懸垂結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷[48-49], 但同時(shí)也會(huì)增大漿料中陶瓷顆粒沉降的傾向。Walton等[43]的研究表明漿料的pH可以改變陶瓷顆粒表面的Zeta電位, Zeta電位越大顆粒分散性越好, 漿料越穩(wěn)定。Gadea等[50]通過(guò)在漿料中添加甘油, 也有效提高了漿料的剪切稀化行為, 避免了BTO顆粒的快速沉降。

DIW工藝簡(jiǎn)單, 設(shè)備成本低且靈活性較高, 是目前應(yīng)用最多的壓電陶瓷增材制造技術(shù)之一。但高固含量的漿料擠出難, 表面質(zhì)量差, 分辨率低等問(wèn)題仍需進(jìn)一步解決。

1.3 基于塊材的壓電陶瓷增材制造技術(shù)

1.3.1 熔融沉積成型

熔融沉積(Fused Deposition Modeling, FDM)是增材制造技術(shù)中發(fā)展較早的工藝之一, 將絲材在略高于熔點(diǎn)的環(huán)境溫度下熔化成流體狀, 接著在計(jì)算機(jī)控制下逐步擠出并沉積到下方的載體上, 進(jìn)而逐層疊加成型[29]。

圖4 不同燒結(jié)溫度下PZT陶瓷微觀形貌照片(a)及墨水直寫(xiě)成型PZT陶瓷燒結(jié)件照片(b)[41], 熔融沉積成型梯度壓電陶瓷截面照片(c)[51-52]

陶瓷材料熔點(diǎn)高, 無(wú)法直接通過(guò)FDM工藝成型, 常將陶瓷顆粒混入熱塑性材料中制成絲材進(jìn)行打印。相較于粉體及漿料, 基于絲材的FDM技術(shù)更具靈活性, 可實(shí)現(xiàn)多材料打印。Jafari等開(kāi)發(fā)了具有多噴頭的FDM設(shè)備, 打印并燒結(jié)得到了圖4(c)所示軟、硬PZT交互堆疊的壓電陶瓷[51]以及雙組分PMN-PT壓電陶瓷[52]。

FDM設(shè)備成本低, 但絲材制備過(guò)程復(fù)雜, 目前采用FDM工藝制備壓電陶瓷的研究較少。

1.3.2 薄材疊層成型

與DLP類(lèi)似, 薄材疊層成型(Laminated Object Manufacturing, LOM)也是一種由面到體的成型工藝, 采用預(yù)先制備的陶瓷薄片作為原材料, 利用激光切割設(shè)備將陶瓷薄片按照切片信息進(jìn)行切割, 隨后具有特定截面形狀的陶瓷薄片被逐層堆疊在一起, 相鄰兩層通過(guò)熱壓或黏結(jié)劑結(jié)合[29]。LOM成型速度快, 常用于制備一些簡(jiǎn)單的壓電陶瓷零件。

由于分層厚度的限制, LOM工藝的成型精度不高, 且成型后的陶瓷零件外表面需要打磨、拋光等后處理。宏觀的層合缺陷也易造成材料性能在平行與垂直制造方向上巨大的各向異性。因此其在壓電陶瓷的成型上應(yīng)用較少, 僅Pan等[53]利用LOM制作出了一種PZT伸縮致動(dòng)器。

近年來(lái), 壓電陶瓷逐漸向微納米尺度發(fā)展, FDM、LOM工藝的成型分辨率和表面質(zhì)量較低, 限制了其在這一領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用, 這也是其鮮有報(bào)道的原因。

表1為各工藝制備的壓電陶瓷主要性能結(jié)果的對(duì)比。綜合來(lái)看, 陶瓷材料抗熱震性能差, 激光增材制造加工中反復(fù)的熱循環(huán)會(huì)在成型區(qū)域內(nèi)形成較大的溫度梯度(可達(dá)到103～104K), 從而引起成型材料的非均勻變形, 內(nèi)部產(chǎn)生大量裂紋、氣孔等缺陷[54-55],這也限制了該技術(shù)在壓電陶瓷成型領(lǐng)域中的應(yīng)用。相較之下, BJ、SLA、DLP、DIW、IJP以及FDM等工藝采用聚合物作為黏結(jié)劑, 通過(guò)溶劑蒸發(fā)、光固化等方式實(shí)現(xiàn)陶瓷坯體的成型, 避免了激光等高能量的輸入, 可以獲得相對(duì)較好的成型質(zhì)量。但另一方面, 紫外光的應(yīng)用也限制了SLA、DLP的材料選擇范圍, 使其難以實(shí)現(xiàn)顏色深、吸光率大、對(duì)光散射性強(qiáng)的壓電陶瓷的高性能制造。

表1 增材制造壓電陶瓷性能對(duì)比

與其他壓電陶瓷增材制造技術(shù)相比, IJP、FDM等通過(guò)材料擠出成型的工藝在尺寸精度、結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和高性能壓電陶瓷材料的成型上仍顯不足, 這是由于為保證材料的穩(wěn)定擠出, 需嚴(yán)格控制所用漿料、熔絲等材料的流動(dòng)性, 因此原料中壓電陶瓷顆粒的含量就受到了限制, 而DIW由于供料系統(tǒng)采用氣壓或機(jī)械擠出的方式, 允許漿料具有更高的固相含量, 因此能夠制備出性能更為優(yōu)異的壓電陶瓷。

壓電陶瓷的性能與致密度密切相關(guān), 當(dāng)前針對(duì)壓電陶瓷增材制造工藝的優(yōu)化仍以獲得高致密度成型件為目標(biāo), 目前已證實(shí)通過(guò)減小粉末粒徑[49]、提高燒結(jié)溫度[64]以及采用等靜壓[65]、凝膠滲透[69]等后處理工藝可以提高增材制造壓電陶瓷的致密度, 制備出力學(xué)和電學(xué)性能更為優(yōu)異的壓電陶瓷。此外, 壓電陶瓷電學(xué)性能也與晶粒尺寸和取向有關(guān)[42, 44]。針對(duì)壓電陶瓷不同的應(yīng)用需求, 合理選擇原料、工藝及其后處理手段非常重要。

2 增材制造壓電陶瓷應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 組織工程

由于壓電陶瓷能夠利用自身機(jī)電轉(zhuǎn)換能力在一定程度上模仿生物體內(nèi)生理活動(dòng), 如釋放生物電信號(hào)、產(chǎn)生內(nèi)源性電場(chǎng)以及外部電刺激等, 故可用于組織工程領(lǐng)域, 以調(diào)節(jié)細(xì)胞生理行為和促進(jìn)骨組織修復(fù), 以增材制造技術(shù)為基礎(chǔ)的成型手段可大大提高植入物的形狀可定制性、力學(xué)性能可編輯性等, 進(jìn)而解決細(xì)胞依附、應(yīng)力屏蔽等一系列臨床問(wèn)題。如圖5(a, b)所示, Polley等[70]采用BJ技術(shù)制備了BTO/HA多孔壓電陶瓷, 并發(fā)現(xiàn)不僅材料本身具有良好的生物相容性, 壓電活性也能夠有效促進(jìn)細(xì)胞增殖分化, 且BJ坯體燒結(jié)后內(nèi)部的多孔特征也增大了細(xì)胞吸附面積, 但燒結(jié)件強(qiáng)度較低, 尚沒(méi)有實(shí)現(xiàn)臨床應(yīng)用。

2.2 水聲探測(cè)

水聲換能器作為一種可在水下實(shí)現(xiàn)聲能與機(jī)械能轉(zhuǎn)換的傳感器, 被廣泛用于軍事偵察、近岸防衛(wèi)、深?？碧降人绿綔y(cè)領(lǐng)域。水聲換能器應(yīng)具有較高的靜水壓優(yōu)值, 以獲得良好的信噪比及聲匹配性能, 這可通過(guò)在壓電陶瓷內(nèi)部引入低介電常數(shù)第二相(如氣相、聚合物相)實(shí)現(xiàn), 但會(huì)降低材料力學(xué)性能, 進(jìn)而影響器件的工作穩(wěn)定性及壽命。增材制造技術(shù)的高成型自由度允許設(shè)計(jì)者采用如桁架結(jié)構(gòu)[32]、木堆結(jié)構(gòu)[41]、極小曲面結(jié)構(gòu)[71-72]等兼具高力學(xué)性能和低介電常數(shù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略, 以實(shí)現(xiàn)換能器件力、電性能間的解耦。武漢理工大學(xué)劉凱等[32]采用浸漬方法將DLP打印燒結(jié)的多孔壓電陶瓷制備成壓電復(fù)合材料(圖5(c)), 并封裝成水聽(tīng)器, 隨后利用自主搭建的測(cè)試裝置對(duì)其水聲性能進(jìn)行了測(cè)試, 發(fā)現(xiàn)其可以對(duì)不同頻率的激勵(lì)聲源產(chǎn)生較高分辨率的電壓響應(yīng)(圖5(d))。此外, 增材制造技術(shù)在制備寬帶水聲換能器[34, 60, 73]上也表現(xiàn)出了巨大潛力, 為應(yīng)對(duì)近年來(lái)飛速發(fā)展的水下無(wú)人設(shè)備提供了便利。

2.3 超聲成像

壓電陶瓷材料也常被制成換能器, 并作為超聲成像設(shè)備用于工業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域。為使超聲探頭獲得良好的成像性能, 需要采用具有高靈敏度和寬帶的壓電元件。相較于塊體壓電陶瓷而言, 將壓電陶瓷與聚合物按一定比例和空間結(jié)構(gòu)復(fù)合形成的壓電復(fù)合材料在這方面表現(xiàn)更好, 但傳統(tǒng)工藝難以制備高連通性壓電復(fù)合材料。增材制造技術(shù)則可以突破傳統(tǒng)工藝限制, 為制作高性能超聲成像設(shè)備提供可能, 同時(shí)提升結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)自由度也極大拓展了相關(guān)器件的功能, 如Chen等[74]采用DLP工藝制備了一種凹形壓電陶瓷片(Concaved-shape Piezoelectric Element, CPE), 將其封裝成超聲成像探頭, 可實(shí)現(xiàn)對(duì)豬眼內(nèi)部結(jié)構(gòu)的聚焦成像, 顯著提高了設(shè)備的功能性和集成化水平(圖5(e～g))。

2.4 通訊傳感

壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)通常也被用于壓力傳感, 相較于電阻、電容等外源型傳感器件, 壓電傳感器無(wú)需外部電源, 具有響應(yīng)速度快, 線性度高等優(yōu)勢(shì)。實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)增大壓電材料在機(jī)械激勵(lì)下的響應(yīng)電壓可以提高傳感器件靈敏度, 為達(dá)到這一目的, 目前常用的設(shè)計(jì)方法是增大器件在載荷作用下的變形及其壓電電壓常數(shù)ij[1]。部分學(xué)者研究了增材制造技術(shù)產(chǎn)生的層缺陷及壓電復(fù)合材料結(jié)構(gòu)對(duì)上述性能的影響。如Chavez等[59]發(fā)現(xiàn), 采用BJ技術(shù)打印的BTO陶瓷內(nèi)部, 由于平行建造方向上的層間缺陷阻礙了應(yīng)力的傳遞, 故在相同載荷作用下, 相較于平行建造方向, 垂直建造方向上輸出電壓更高; Zeng等[31]制備的蜂窩狀BTO/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的輸出電壓比純BTO陶瓷高兩倍, 將其封裝成換能器(圖6), 能夠?qū)崿F(xiàn)良好的聲傳感。

圖5 黏結(jié)劑噴射成型BTO/HA壓電陶瓷(a)及MC3T3-E1細(xì)胞24 h體外培養(yǎng)結(jié)果顯微照片(b)[70], 數(shù)字光處理成型壓電陶瓷照片及其壓電復(fù)合材料(c), 水聲測(cè)試裝置及不同聲激勵(lì)頻率下水聽(tīng)器的輸出電壓(d)[32], 數(shù)字光處理成型CPE樣品照片(e)及其封裝的超聲掃描設(shè)備(f)和豬眼超聲成像結(jié)果(g)[74]

3 未來(lái)展望

本文從工藝特點(diǎn)及應(yīng)用現(xiàn)狀等角度出發(fā), 詳細(xì)介紹了增材制造壓電陶瓷的發(fā)展現(xiàn)狀。增材制造技術(shù)突破了傳統(tǒng)工藝在制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)壓電陶瓷材料時(shí)需要模具、成型精度低且工藝可控性差的限制, 實(shí)現(xiàn)了材料功能的最大化, 滿足了高端裝備對(duì)壓電陶瓷結(jié)構(gòu)復(fù)雜化的發(fā)展需求。但當(dāng)下壓電陶瓷增材制造技術(shù)仍存在著諸多問(wèn)題和挑戰(zhàn), 也是該領(lǐng)域未來(lái)的發(fā)展方向。

圖6 壓電傳感器示意圖(a)及照片(b)[31]

1)從性能角度看, 增材制造壓電陶瓷的性能總體仍低于傳統(tǒng)工藝制備的壓電陶瓷材料, 這主要是受成型件致密度和晶粒尺寸等因素的影響。通過(guò)采用額外的后處理手段, 如等靜壓、溶膠滲透等可以提高致密度。而晶粒的細(xì)化除可對(duì)燒結(jié)制度進(jìn)行優(yōu)化外, 還可通過(guò)使用納米粉體來(lái)實(shí)現(xiàn), 但這會(huì)對(duì)原料中粉體的分散性產(chǎn)生一定影響, 故需對(duì)粉體改性方法、分散劑等近一步研究。此外, 相較于元素?fù)诫s以及織構(gòu)化等傳統(tǒng)方法, 增材制造技術(shù)在成型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件上的優(yōu)勢(shì)使得我們可以借助結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)制備具有特殊功能的壓電陶瓷, 例如可以使其獲得具有各向異性的壓電性能。

2)從工藝角度看, 不同增材制造技術(shù)對(duì)原料性能的要求有較大差異, 為豐富增材制造壓電陶瓷原料種類(lèi), 擴(kuò)大工藝適用范圍, 提高成型效率和質(zhì)量, 縮短研發(fā)周期, 需針對(duì)不同工藝建立相應(yīng)的成型參數(shù)選擇方法。這就要求我們進(jìn)一步建立材料性質(zhì)與成型工藝參數(shù)間的關(guān)系, 構(gòu)建完善的增材制造壓電陶瓷材料與工藝數(shù)據(jù)庫(kù)。此外, 壓電陶瓷增材制造在成型過(guò)程監(jiān)測(cè)方面還沒(méi)有較好的方法, 在這方面可以借鑒聚合物和金屬增材制造的監(jiān)測(cè)技術(shù), 包括噴嘴壓力監(jiān)控[75]、溫度傳感[76]和形變分析[77]等。

3)從應(yīng)用角度看, 增材制造技術(shù)在壓電陶瓷成型中的應(yīng)用, 突破了傳統(tǒng)制造工藝難以成型復(fù)雜結(jié)構(gòu)壓電陶瓷的局限, 促使壓電陶瓷由過(guò)去“制造決定設(shè)計(jì)”向未來(lái)“設(shè)計(jì)決定制造”轉(zhuǎn)變, 大大提升了壓電陶瓷的可設(shè)計(jì)性。但要實(shí)現(xiàn)增材制造壓電陶瓷及器件的發(fā)展, 仍需進(jìn)一步建立以功能應(yīng)用為導(dǎo)向的設(shè)計(jì)方法, 這需要我們深入了解壓電陶瓷材料–結(jié)構(gòu)-功能間的關(guān)系。而更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)也要求科研人員開(kāi)發(fā)新的壓電陶瓷材料性能預(yù)測(cè)和設(shè)計(jì)方法, 例如桁架、TPMS等周期性結(jié)構(gòu)計(jì)算困難, 需要建立相應(yīng)的材料等效模型、多尺度聯(lián)合仿真等技術(shù)。

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Current Status and Prospect of Additive Manufacturing Piezoceramics

LIU Kai1,2, SUN Ce2, SHI Yusheng3, HU Jiaming2, ZHANG Qingqing2, SUN Yunfei2, ZHANG Song4, TU Rong4, YAN Chunze3, CHEN Zhangwei5, HUANG Shangyu2, SUN Huajun1

(1. State Key Laboratory of Silicate Materials for Architectures, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China; 2. College of Materials Science and Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China; 3. State Key Laboratory of Materials Processing and Die & Mould Technology, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, 430074, China; 4. State Key Laboratory of Advanced Technology for Materials Synthesis and Processing, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China; 5. Additive Manufacturing Institute, Shenzhen University, Shenzhen 518060, China)

As an important functional material, piezoelectric ceramics not only have the characteristics of high strength, high hardness, corrosion resistance,., but also can realize the mutual conversion between mechanical energy and electrical energy. Piezoelectric ceramics are widely used in sensors, drivers, capacitors and other piezoelectric parts, playing an important role in high-end equipment such as marine exploration, biomedicine, and electronic communications. The development requirements of intelligent, integrated, and lightweight piezoelectric functional devices in advanced technology fields have pushed their shape more and more complex. However, traditional fabricating processes, such as slip casting, injection molding, mould pressing, and machining, depend on molds or grinding tools. It is difficult to design and fabricate complex shape piezoelectric ceramics, especially with hollows and overhangs. Additive manufacturing technology can rapidly fabricate any complex structure parts based on the layer-by-layer fabricating principle with advantages of high molding efficiency and without molds. It can meet the needs of individualized, integration and complex manufacturing. In recent years, it hasreceived extensive attention from researchers in the field of piezoelectric ceramics in both domestic and abroad. This article summarizes the main types of current additive manufacturing piezoelectric ceramics and their development status from the perspective of three raw material forms: powder, slurry and bulk materials, then comprehensively compares the characteristics of various processes. Application of additive manufacturing of piezoelectric ceramics in different fields has also been introduced. Finally, the challenges faced by additive manufacturing piezoelectric ceramics and the possible future development trends are summarized and prospected.

piezoceramic; additive manufacturing; process types; structure; application; review

TB321

A

1000-324X(2022)03-0278-11

10.15541/jim20210599

2021-09-28;

2021-11-21;

2021-12-24

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2021YFB3703100); 國(guó)家自然科學(xué)基金(51672198, U1806221); 山東半島國(guó)家自主創(chuàng)新示范區(qū)建設(shè)發(fā)展項(xiàng)目(2017-41-1, 2017-41-3, 2018ZCQZB01, 2019ZCQZB03); 中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展專(zhuān)項(xiàng)資金(2060503); 山東省重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目(2019GGX102011)

National Key Research and Development Plan (2021YFB3703100); National Natural Science Foundation of China (51672198, U1806221); Instruction & Development Project for National Funding Innovation Demonstration Zone of Shandong Province (2017-41-1, 2017-41-3, 2018ZCQZB01, 2019ZCQZB03); Special Funds for Guiding Local Scientific and Technological Development by the Central Government (2060503); Key Research & Design Program of Shandong Province (2019GGX102011)

劉凱(1987–), 男, 副教授. E-mail: victor_liu@whut.edu.cn

LIU Kai (1987–), male, associate professor. E-mail: victor_liu@whut.edu.cn

孫華君, 教授. E-mail: huajunsun@whut.edu.cn

SUN Huajun, professor. E-mail: huajunsun@whut.edu.cn