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華科大:4D打印材料組合,實現可控的壓電轉換
發布時間: 2020-04-03 16:28 | 【 【打印】【關閉】

  2020年3月27日,南極熊注意到學術雜志《Advanced Science》上發表了一篇華中科技大學史玉生教授團隊的文章,論文題目為“A Material Combination Concept to Realize 4D Printed Products with Newly Emerging Property/Functionality”,文章提出了一種材料組合概念,來構造屬性/功能可控地的4D打印物體。

   

  4D打印是一種新興技術,打印出的結構形狀,特性或功能可以在外部刺激下隨時間可控地變化。但是,大多數現有的4D打印產品都只關注其幾何形狀的變化,而不管其屬性以及實用功能的可控變化。

  史玉生教授團隊再論文中提出了一種材料組合概念,來構造屬性/功能可控變化的4D打印裝置。 該裝置由導電和磁性部件組成,集成后的裝置可以顯示壓電特性。因此,基于電磁引入原理,裝置被賦予將機械能轉換為電能的能力。

  通過使用Comsol軟件的數值模擬方法來解釋4D打印裝置的工作機制,通過調節各種參數來促進其性能的進一步優化。由于具有自供電,快速響應和靈敏的特性,因此4D打印的磁電裝置可以用作壓力傳感器來警告非法入侵。這項工作開啟了柔性磁電器件的新制造方法,并為屬性更改和功能更改的4D打印提供了新的材料組合概念。

  

 

  圖1

  從上圖中,我們可以進一步理解作者提出的材料組合概念,零件A是一個多孔結構,使用TPU/NdFeB 混合的材料,通過選擇性激光燒結(SLS)工藝制造,零件A經過磁化后可以獲得永久磁性;零件B包含兩個平板和一個螺旋結構,使用316L不銹鋼粉末材料,通過選擇性激光熔化(SLM)工藝制造。

  將零件A和零件B進行組裝,可將機械壓力轉換為電信號的柔性集成磁電器件。新出現的自供電壓電特性在施加的壓力下表現出可控的變化。此外,該裝置還顯示出可以用作壓力敏感顯示器的新功能??梢酝ㄟ^數值模擬從理論上解釋工作機理,通過調節磁粉含量,磁場方向,壓縮率和其他因素來促進其性能的進一步優化。由于具有自供電的壓電特性,這些柔性磁電設備可以用作智能壓力傳感器來警告非法入侵。這項工作為4D打印設備的材料和結構設計奠定了基礎,該裝置除了具有形狀變化之外還具有新的特性和功能。它將擴展4D打印領域的眾多功能應用,例如柔性傳感器。

  

 

  圖2

  上圖中 a,e示出了具有40wt% NdFeB含量、尺寸為25×12.5×12.5mm 的磁性多孔結構(零件A)的照片。d顯示了其CAD模型。

  f 是多孔結構的SEM圖像,顯示了已打印的TPU / NdFeB網格結構的連接部分,NdFeB粉末均勻地分散在TPU基質支架上。

  由于打印的多孔/螺旋設計和TPU材料的彈性,組合的磁電裝置可以輕松壓縮,然后迅速恢復到原始形狀。由于螺旋結構中的磁通量在壓縮/恢復過程中發生變化,因此可以產生電輸出。

  進一步的研究顯示,磁化后,具有不同NdFeB含量(20、30和40 wt%),磁場方向(垂直和水平)以及高度(25、20和15 mm)的SLS打印的磁性多孔結構顯示出不同的磁感應強度。磁感應強度主要取決于NdFeB粉末的含量。 NdFeB的含量越高,磁場強度越強。如果磁粉含量過度增加(> 40 wt%),則TPU的量將太少而無法制造具有足夠機械性能的多孔結構。在40%(重量)的NdFeB磁性多孔結構的北/南極,磁場強度約為11.1 mT。多孔結構的垂直和水平邊緣的磁場強度顯示出顯著差異。這是由于磁化后兩個方向上磁力線的密度不同。

  與早期報道的將熱能轉換為機械能的4D打印產品不同,本研究中準備好的4D打印設備顯示了將外部機械壓力轉換為電輸出的壓電能力,盡管它們的兩個部件都不是壓電的。由于存在磁性TPU / NdFeB結構,磁場線將穿過磁性部分旁邊的導電線圈。在外力驅動的壓縮/恢復周期中,線圈中的磁通量會相應變化,從而基于電磁感應原理導致發電。在這個概念中,打印設備的屬性以及功能在施加的外部壓力下發生了變化,展現了4D打印的概念進步。

   

  圖3

  當改變多孔結構的磁場方向(以垂直和水平為例)時,柔性磁電器件獲得不同的電壓輸出。結果如上圖所示,其中涉及到很多計算公式的推導,研究該領域的熊友請直接查看論文原文。

   

  圖4

  此外,作者還研究了眾多參數變化對該裝置的影響,比如:零件B高度的增加肯定會導致輸出電壓的上升。然后,以NdFeB含量為30 wt%的集成器件為例,將多孔結構和螺旋結構之間的距離d調整為1到3 mm,從而導致進入線圈的磁通量變弱(圖4b) 。結果,輸出電壓從5.7降至2.0 μV(圖4d)。此外,還通過將設備高度從25 mm調整為15 mm來研究設備高度的影響(圖S4c,S8,支持信息)。高度的降低導致磁粉含量的降低,從而削弱了磁感應強度。因此,輸出電壓值從5.7降至3.1 μV,如圖S8c,支持信息所示。當高度減小時,螺旋結構的圈數也減少。圖S8d(支持信息)顯示,即使高度發生變化,每個線圈產生的輸出電壓也幾乎等于0.8V。

  還詳細研究了各種測量參數,例如壓縮率和應變。更多細節請查看原文。

  結論 

  在這項工作中,通過組裝SLS打印的磁性多孔結構和SLM打印的螺旋結構,實現了一種新型的4D打印。與以前的4D打印品中的形狀變形不同,我們的集成4D打印裝置在施加的外部壓力下顯示出可控地改變的壓電特性,以及用作自供電壓敏顯示器的新功能。由于螺旋線中的磁通量變化,組裝的磁電裝置可以在外部壓力下產生電脈沖,從而可用于感知壓力。在材料和結構的新穎設計的基礎上,由外部壓力產生的形狀變化導致發電性能的可控變化和新功能的出現。因此,我們實現了三種形式的4D打印,同時包含形狀,特性和功能的變化。對于4D打印磁電器件,NdFeB粉末的含量,磁場方向,多孔結構和螺旋結構之間的距離,壓縮速度和壓縮比等幾個參數都會影響磁導率。輸出電壓值。在最佳條件下,適用于智能自供電壓力傳感器的集成4D打印設備可以產生11.8 μV的輸出電壓。相信這項工作可以通過提出一種材料組合概念,為性能改變和功能改變的4D打印奠定基礎。我們期待擴展我們的4D打印磁電設備的應用。

  論文作者:Hongzhi Wu  Xuan Zhang  Zheng Ma  Ce Zhang  Jingwei Ai  Peng Chen  Chunze Yan  Bin Su Yusheng Shi

  文章來源:南極熊3D打印網、OFweek3D打印網

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