供稿人：马伟刚、连芩 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室 发布日期：2024-03-13
超声换能器的性能在很大程度上取决于其活性元件的压电特性和几何形状。由于压电陶瓷的脆性，现有的压电元件加工工具只能实现简单的几何形状，包括扁平的圆盘、圆柱体、立方体和圆环。虽然3D打印技术的进步促进了压电陶瓷的自由成型制造，但由此产生的换能器存在高孔隙率、弱压电响应和有限的几何柔韧性的问题。
美国加州大学伯克利分校材料科学与工程系的研究人员提出了一种基于SLA的增材制造方法，该方法优化了烧结工艺，可用于打印高度致密的锆钛酸铅(PZT)压电元件和具有微尺度特征和高压电响应的压电超声换能器。
图1 微型超声换能器的设计、3D打印高固相PZT复合材料及其液相烧结示意图
该工艺从高分辨率投影微立体光刻(PμSL)出发，结合流延成型重涂工艺，以确保准确控制绿色部件的特征。受液相烧结(LPS)的启发，在烧结过程中加入液相烧结添加剂硝酸铅(Pb(NO3)2)以促进晶粒生长并改善陶瓷的烧结性能，并实施了一种液体密封方法来抑制铅在高温下的挥发，从而减少了烧结元件的孔隙率和铅的损失，如图1所示。制备的PZT陶瓷的压电系数d33高达583 pC/N，相当于原始材料的92.5%，优于目前可打印的压电材料。
此外，研究人员还开发了可打印的包装材料托盘，其中包括衬底层，阻抗匹配层和具有大范围可定制阻抗和衰减系数的物理外壳，以确保针对目标应用的最佳目标性能。为了演示该研究的方法的可应用性，研究人员打印了一个具有微尺度聚焦功能的小型化超声换能器，它能够在直径低至2.5 mm的血管中产生高和局部声压，从而实现局部空化触发，增强药物输送，以及超声调节细胞活动，如图2所示。
图2 微型化超声换能器诱导血管幻影局部空化示意图
这项研究成功利用3D打印技术制备出了具有高压电性能及复杂结构的PZT压电元件，制备的微型换能器能够在毫米尺寸的通道内进行声聚焦和局部空化，极大的拓展了超声换能器在生物医疗领域的应用。