供稿人：马伟刚、连芩 供稿单位：西安交通大学精密微纳制造技术全国重点实验室 发布日期：2024-07-04
Sm0.025Pb0.9625[(Mg1/3Nb2/3)0.71Ti0.29]O3 (Sm-PMN-PT)陶瓷具有优异的压电性能，在电子器件中具有很大的应用潜力。然而，传统制备方法难以制备出结构复杂的Sm-PMN-PT陶瓷，限制了该陶瓷的应用。西安佳通大学机械工程学院连芩教授课题组通过还原光聚合技术(vat photopolymerization，VPP)制造出了具有高压电性能及高精度复杂结构的Sm-PMN-PT陶瓷，为Sm-PMN-PT陶瓷的制造提供了新的方法，拓展了该陶瓷的应用领域。
Sm-PMN-PT陶瓷颗粒具有高折射率，当紫外光照射Sm-PMN-PT浆料时，紫外光光束会被陶瓷颗粒的散射效应所衰减，这将导致浆料固化深度低，素坯成形困难，基于此，研究人员首先通过选择高折射率光敏树脂作为浆料液相以及优化粉体粒径，获得了可用于VPP技术的Sm-PMN-PT陶瓷浆料。当曝光功率密度为37.5mW/cm2，曝光时间为8s时，浆料的固化深度为41μm，当剪切速率为100s-1时，浆料的粘度值为0.46Pa·s，且具有剪切变稀性。
图1 Gyroid、Schwarz_P、Schwarz_D结构的3D模型，素坯，热解以及烧结件
利用VPP技术成形出了表面质量高，层间结合充分，成形精度高的Sm-PMN-PT陶瓷素坯，测量了陶瓷素坯的成形精度，最大尺寸误差为239.8±29.7μm。根据热重分析的结果确定了热解曲线。优化了烧结温度，确定最终烧结温度为1220℃。烧结后的Sm-PMN-PT陶瓷的相对密度为98%，相对介电常数εr、介电损耗tanδ和压电系数d33分别为6452、0.0434和1230 pC/N。
图2 3-3型压电复合材料及其能量收集测试
制造出了具有Gyroid、Schwarz_P、Schwarz_D结构的陶瓷件，素坯件、热解件与烧结件的孔隙清晰可见，无翘曲，裂纹等缺陷，如图1所示。进而灌注树脂形成了具有Gyroid、Schwarz_P、Schwarz_D陶瓷结构3-3型压电复合材料，在周期性载荷驱动下其输出电压可达80 mV，如图2所示，显示出较好的能量收集性能。