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微纳3D打印技术在压电器件中的应用

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「 压电效应 」

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3D打印压电智能材料柔性片

自1880年居里兄弟发现压电效应以来,除了应用于煤气灶或是热水器等日常电器的点火装置,在工业中也有极为广泛的应用,利用压电材料的特性可实现机械振动和交流电的互相转换,因而广泛应用于传感器、换能器、驱动器等器件中。

「 压电器件应用 」

由压电材料所制成的压电器件进一步被应用于航空航天、医疗、机器人等领域中。

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F/A-18飞机垂尾抖振压电主动控制

美国F/A-18飞机在飞行时间不超过1000h就发生了后机身框段的振动疲劳损伤。对于该型号飞机振动问题,包括美国在内的多个国家开展了减振研究。通过优化压电作动器配置来控制垂尾的振动,对垂尾振动进行有效控制后,尾翼根部振动疲劳损伤得到有效的控制。

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压电催化效应美白牙齿的机理

南京理工大学材料学院/格莱特研究院汪尧进教授课题组与北京大学口腔医学院等单位合作,提出了压电材料在口腔医学领域的新应用,将压电材料与口腔护理相结合,利用刷牙过程中牙刷产生的振动,激发压电材料的压电响应。通过压电催化效应,实现了高效、安全、无损的牙齿美白。

「 压电器件制造工艺 」

目前,传统的制造技术虽已多年进步,但其工艺复杂昂贵,同时又存在压电材料固有的脆性,随着压电器件结构变得越来越小,复杂程度逐年增加,传统的制造工艺已难以满足压电器件的生产需要,极大限制了压电材料的潜能和发展前景。

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3D打印压电材料的打印阶段

为了解决上述问题,美国弗吉尼亚理工大学工学院机械工程系助理教授、高分子创新研究所团队开发出一种3D打印压电材料的新方法。这些压电材料经过专门设计,可将任意方向上的运动、冲击与压力转化为电能。

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组装成的具有压电活性的智能结构传感器

该团队开发出的模型,可用于操控并设计任意的压电常数,通过一系列可3D打印的拓扑结构生成一种材料,这种材料可以响应任意方向输入的力与振动,产生电荷运动。传统压电材料中的电荷运动是由其内在的晶体规定的。不同于传统压电材料,这种新方法使得用户可以规定和设定电压响应,使之可在任意方向上被放大、反转或者抑制。

「 国内前沿科研近况 」

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具有高精确度的微纳结构

西安交通大学先进制造技术研究所科研团队利用微纳3D打印技术,使用含有压电材料与光敏树脂所复合的材料,利用微纳3D打印设备制造压电器件,所成形的压电器件除了拥有加工周期短,成本低,设计灵活性大的优势外,还具有其他3D打印技术无法满足的精度,大大提高器件的性能与质量。

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S140微纳3D打印设备

其团队所使用的S140微纳3D打印设备具有10微米的打印精度,可配套多种不同应用特点的复合材料,包括高硬度硬性树脂、生物兼容性树脂、耐高温树脂等复合材料,打印最大尺寸为94mmX52mmX45mm的器件,具有广泛的应用空间。


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