香港科技大学杨征保课题组Materials Today：模具辅助烧结方法制备共形压电陶瓷用于三维形状换能器

▲第一作者：香港城市大学在读博士单尧

通讯作者：香港科技大学杨征保教授

通讯单位：香港科技大学，香港城市大学

DOI：

https://doi.org/10.1016/j.mattod.2023.07.004

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香港科技大学杨征保课题组研发了一种模具辅助烧结(MAS)工艺来制备高性能块体共形压电陶瓷用于复杂三维形状换能器。其中，提出在烧结过程中利用陶瓷粉末压实体在高温下的由弹性脆性固体向粘滞性固体转变的特性，最终实现块体陶瓷组件与不可展开曲面的共形贴合。利用MAS方法制备的共形PZT压电陶瓷不仅保持了与设计曲面几何上的高度吻合（最大偏差90微米），同时还具有优异的压电性能（压电常数d33为590 pC/N）。这种制备共形压电陶瓷的方法改善了块体压电陶瓷与非平面结构件之间的接触并扩展了压电陶瓷材料的应用场景。

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背景介绍

材料的形状与其本身的材料固有属性一样重要。从材料到器件与应用的关键是使材料获得一定的几何特征，从而执行相应的功能或者与其他组件之间相互接触与耦合。

块体压电陶瓷具有较高的机电耦合效应、稳定的机械性能和低成本等优点，被广泛应用于致动器，传感器和换能器等各种电子器件。但是压电陶瓷组件单一的平面构型导致其难以与实际生活生产中各种复杂形状的组件相配合。这种组件之间物理接触耦合的不匹配限制了块体压电陶瓷的应用前景。事实上，组件之间的相互接触耦合遵循曲面之间的展开规律即：1.曲面展开前后各点的高斯曲率保持不变；2.将一个曲面在另一个曲面上展开后曲面上各点的高斯曲率保持不变。

牺牲部分压电性能构建柔性的压电陶瓷复合材料是提高压电陶瓷与不规则组件耦合的一种方式。但是，基于曲面展开的定理，在不产生褶皱或者断裂的情况下将这种弹性连续体与不可展开曲面（如马鞍面和球面）紧密接触是很难实现的。将陶瓷切割为小块并组合成阵列结构也可以缓解压电陶瓷器件与不可展开曲面之间耦合的难题，但是高分辨率的压电陶瓷阵列结构的加工难度高，不适合大规模与低成本生产。制备与接触曲面共形的压电陶瓷是最直接且有效的解决陶瓷组件与基底之间接触耦合的方法。但是，块体陶瓷的加工性能较差，通常难以根据应用场景被加工成与非平面器件良好接触的形状。因此，如何制备同时具有复杂的几何形状和高压电性能的共形压电陶瓷成为提高与扩展压电陶瓷实用性的关键。

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本文亮点

通常，在常温下陶瓷表现出高度的脆性，但是先前的工作发现陶瓷粉末压实体在高温情况下存在粘滞性且能够承受大变形。更有趣的是，与弹性体不同，在高温下粘滞的压电陶瓷粉体可以不受曲面展开的约束，因此可以实现由初始平面陶瓷粉体与不可展开曲面的紧密贴合。就像我们可以将橡皮泥轻易的与球面贴紧，却很难在不改变连续性的前提下将一整块橡皮与球面紧密贴合。

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图文解析

MAS方法的思路很简单，其原理如图1a所示。首先将压制好的陶瓷粉末片放置在具有设计曲面的支撑模具（本工作中使用的是氧化铝）上；将模具和陶瓷粉末体放入马弗炉进行升温，排胶，保温，烧结；高温环境激活陶瓷粉体的粘滞性，并在样品自身重力的作用下逐渐与支撑曲面贴合；最终，烧结完成后块体压电陶瓷片成功从设计曲面上“复制”三维形状。在图1b中展示了粘滞性曲面的贴合过程。

▲图1 MAS制备方法图示与烧结过程观察

▲图2 MAS共形陶瓷与设计曲面的几何相似度表征

如图2，作者通过扫描并对比MAS制备的三维陶瓷片的形状与给定曲面形状，说明了MAS方法可以以相对高的精度“复制”模具曲面的几何体征。同时对共形陶瓷进行材料性能表征，发现共形陶瓷保持高压电性。

▲图3 共形陶瓷的接触表征

随后作者构建了一个振动传递的对比实验（图3a和b）验证分别使用共性陶瓷和非共形陶瓷与曲面耦合时的能量传递效果。仿真结果（图3c）表明共形陶瓷与曲面之间的无缝接触更有利于应力的传递，与实验所得到的结论相吻合（图3d），进一步说明了组件之间良好的耦合情况对器件性能具有提升作用。

▲图4 共形陶瓷用于在曲面上构建无线能量传输系统

最后作者展示了将MAS所制备的共形陶瓷用于管道中构建非平面无线能量传输系统。在该实验中，共形PZT陶瓷片贴合在管道模型内部捕获并转化管道的振动为电能，用于给管道内部的温度传感器以及无线信号传输模块供电，最终实现实时监测管道内部的温度。作者希望通过该简化实验说明在获得一定的几何特征后，压电陶瓷可以应用于各种复杂环境中。

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总结与展望

如上所述，该团队报道了一种制备具有三维形状的共形压电陶瓷的策略。通过利用陶瓷材料在高温下弹性到粘滞性的状态转变，实现与设计的模具相互贴合，最终“复制”模具的表面三维形状。由MAS方法制备的共形压电陶瓷与设计曲面之间具有很高的几何吻合度且具有良好的压电性能，这将促进压电陶瓷组件的结构优化设计与应用性。

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作者介绍

该论文其他作者有港城大在读博士李鹏宇，杨晓丹，张卓敏；华中科技大学在读博士张超；香港科技大学博士后研究员刘世源博士，洪颖博士；华中科技大学教授张光祖。

杨征保教授研究团队持续招博士和博士后，感兴趣者可以访问课题组网站并联系。

课题组网站：

https://yanglab.hkust.edu.hk/

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1369702123002213

转自：“研之成理”微信公众号

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