近日课题组文章3D printed 0–3 type piezoelectric composites with high voltage sensitivity在ceramics international期刊上成功发表

研究背景

0-3型压电复合材料作为压电复合材料中使用最广泛的一种复合形式，传统制造工艺只能加工简单结构或是依赖复杂模具，因此迫切需要一种新型的、智能化的加工制造技术，即3D打印技术，而其中数字光处理（DLP）面投影光固化工艺成型速度快、表面质量高，是进行0-3型压电复合材料3D打印成形的最佳方法。但在压电复合材料中基体与颗粒间存在一个构成彼此结合并传递载荷作用的微区，即界面过渡层。由于亲水性陶瓷颗粒与疏水性聚合物之间相容性较差，界面过渡层通常是压电复合材料内部最薄弱的环节，显著影响基体与陶瓷颗粒间的应力传递效率。然而目前受到广泛应用的0-3型压电复合材料理论模型，如Furukawa模型、Mori-Tanaka模型则是假设基体与压电陶瓷之间具有完美结合，这些模型并没有考虑到陶瓷颗粒与聚合物基体的界面过渡层强度对复合材料宏观性能的影响，对局部场的分析较为粗陋。

研究成果

近日，西安交通大学3D打印王莉课题组提出了一种基于光固化3D打印的高性能0-3型压电复合材料的制造。首先通过改进的三相球壳理论模型，仿真分析得出复合材料的宏观压电常数与界面过渡层杨氏模量、颗粒体积分数都成正相关的关系。由此提出了压电陶瓷颗粒的接枝改性工艺，既增强了界面过渡层模量，进而增大了0-3型压电复合材料的压电应变常数，又促进了陶瓷浆料分散均匀。

该工作内容以“3D printed 0–3 type piezoelectric composites with high voltage sensitivity”为题发表在国际著名期刊CERAMICS INTERNATIONAL（IF=4.527）。第一作者及通讯作者为王莉副教授。

1、改进三相球壳理论模型推导和仿真分析

 为了简化计算，可以将PZT颗粒简化为半径为a的等效球体，界面过渡层理想化为均匀包络在颗粒表面的一层等厚度球壳，球壳半径为b。如图1(a)所示。在计算三相球壳模型的弹性模量时将复合材料视为各向同性弹性体，颗粒和过渡层视为一个等效粒子，如图1(b)所示。由此通过修正的弹性模量的推导过程，最终可以得到改进三相球壳模型（见原文）。改进模型量化了过渡层强度对复合材料宏观性能的影响，相较于Furukawa两相模型，能够更为准确地预测压电复合材料的宏观性能。本文也将改进后的三相球壳模型理论计算值与有限元仿真分析结果进行了对比，发现两种方式的计算结果较为吻合，如图1(c)所示。

图1 改进三相球壳模型及仿真分析

如图3(b)所示，压电复合材料的压电应变常数d33测量值与使用改进后的三相球壳模型计算所得的理论曲线以及有限元数值计算所得值存在一些偏差，但在可接受范围内，这也说明了改进的三相球壳模型能够较为准确的地预测压电复合材料的宏观压电性能。如图3(c)所示，光固化成型的压电复合材料在周期脉冲载荷下电压响应较为灵敏，能对周期200ms，宽度50ms的脉冲载荷迅速响应，且输出电压幅值较为稳定。从图3(d)的应力-应变曲线可以看出，未改性的复合材料由于界面过渡层模量较低（低于基体），样品屈服是由聚合物基体与PZT颗粒界面破坏导致的，后续应变主要来自聚合物基体材料；而PZT颗粒表面接枝改性之后，界面过渡层模量大大提高（高于基体），样品在屈服之后立刻断裂。

图3 压电、介电、机械性能表征

总结

本文提出了一种改进的三相球壳理论模型，研究了陶瓷颗粒与基体间界面过渡层弹性模量对复合材料宏观性能的影响。所建立的模型可用于预测复合材料的压电性能，为表面接枝改性实验提供了指导。通过有限元仿真分析了该模型的有效性。将TMSPM偶联剂接枝到PZT颗粒表面，压电复合材料的压电应变常数由20pC/N提高到37pC/N，表明了改进模型和仿真结果的可靠性。同时，该复合材料的压电电压常数达到167.2×10^(-3)Vm/N，是均匀压电陶瓷的7倍以上，证明了所制备的复合材料具有较高的接收电压灵敏度。此外，通过压电复合材料的立体光刻技术，可以很容易地制造出复杂的三维结构，从而提高应力传递效率，提高产品的压电性能。