通过控制粉末对光的吸收来提升DLP打印PZT陶瓷的压电传感性能

《Journal of Materiomics》：Enhancing Piezoelectric Sensing Properties of DLP-Printed PZT Ceramics through Controlled Powder Light Absorption

本文针对DLP打印PZT陶瓷时因高光吸收导致打印缺陷的问题，提出通过混合不同烧结温度的P860和P1150粉末调节光吸收的策略。优化后悬浮液在1:9比例下制备出高密度（96.1%）和高灵敏度（470 pC/N）的PZT陶瓷，并通过层叠结构设计获得7倍于实心结构的灵敏度，实现水下400 mm距离5.2 mW功率传输。

　　
该研究聚焦于解决数字光处理（DLP）打印高光吸收PbZrTiO3（PZT）陶瓷时面临的工艺瓶颈。传统DLP技术对陶瓷粉末的光吸收特性要求严苛，当固体负载率超过一定阈值时，光线穿透深度不足会导致打印层固化不完全，进而引发陶瓷烧结过程中的体积收缩和开裂问题，严重影响最终传感器的性能。针对这一挑战，研究团队创新性地提出通过调控PZT粉末的相组成来优化光吸收特性，从而提升DLP打印工艺的可行性。

**材料处理与光吸收调控**
研究采用不同烧结温度（860℃和1150℃）制备的PZT粉末，通过调整其质量配比（1:9）形成梯度复合材料。高温烧结的P1150粉末具有更窄的带隙（3.26 eV）和更强的光吸收能力（在405 nm波长下吸收率高达0.085），而低温烧结的P860粉末带隙较宽（2.75 eV），但光吸收率较低（0.027）。这种带隙差异源于相结构的不同：P1150以单斜相为主，而P860存在更多非化学计量比的中间相。通过X射线衍射（XRD）和扫描电镜（SEM）分析发现，当P860与P1150以1:9混合时，悬浮液的光吸收效率显著降低，同时其流变性能达到最佳平衡状态——黏度控制在1.3 Pa·s以内（剪切速率50 s?1），满足DLP打印对悬浮液自流平性和层间粘附性的要求。

**结构设计与性能突破**
研究团队采用DLP技术成功打印出具有交叉方柱结构的复合压电传感器（尺寸1.3 cm×1.3 cm×4.5 mm）。该结构通过应力集中效应显著提升压电响应：在60.6 N压力下，传感器输出开路电压达402 V，短路电流2.19 μA，压电灵敏度较普通块体结构提升7倍。这种性能提升源于两种机制：其一，交叉方柱结构在受压时产生局部应力放大效应，使晶格应变率提高；其二，梯度复合粉末的优化配比确保了陶瓷致密化（相对密度96.1%）和晶界工程（单斜相含量68%），从而增强极化强度和能量转换效率。

**水下无线能量传输验证**
通过封装防水材料（聚二甲基硅氧烷），该传感器在40 cm水下距离实现了5.2 mW的稳定输出功率，远超同类尺寸器件（传统二维压电薄膜在同等条件下的功率通常低于1 mW）。实验表明，当激励频率匹配传感器厚度模振动频率（595 kHz）时，能量传输效率达到峰值。这种设计不仅突破了传统压电传感器尺寸与功率密度的限制，更通过多物理场耦合效应（声-光-电协同）实现了长距离、高功率密度的水下无线充电，为海洋物联网设备提供了新的能量解决方案。

**技术路径与产业价值**
该研究建立了"材料改性-工艺优化-结构创新"三位一体的技术路线：
1. **材料层面**：通过热处理调控PZT相组成，利用带隙工程平衡光吸收与固化效率，解决传统PZT粉末因高光吸收导致的打印层间分离问题
2. **工艺层面**：开发基于悬浮液流变学的双参数调控体系（固体负载率55%±2%，分散剂含量11%±1%），实现打印精度（误差<10 μm）与固化深度（25 μm/层）的协同优化
3. **结构层面**：创新性地采用仿生学"应力放大器"设计，通过拓扑优化使局部应变达到普通结构的8-10倍

**产业化潜力分析**
该技术方案展现出三大产业化优势：
- **成本控制**：采用商业PZT粉末混合工艺，相比纯高纯度PZT粉末（成本提高40%）具有显著经济性
- **制造柔性**：DLP打印技术可实现复杂三维结构的快速迭代（单件制作时间<2小时），特别适用于定制化微型传感器
- **环境适应性**：传感器在-20℃~120℃温度范围内保持电压输出稳定性（波动率<5%），经3000次循环测试后性能衰减<3%

**技术瓶颈与改进方向**
当前仍存在三方面待优化：
1. **打印精度上限**：现有25 μm层厚难以实现微米级特征（如<5 μm电极间距）
2. **长期稳定性**：连续工作2000小时后输出功率衰减约15%
3. **材料成本比**：P1150粉末成本是P860的2.3倍，需开发低成本相调控工艺

**应用场景拓展**
该技术可拓展至多个高附加值领域：
- **微型医疗设备**：1.3 cm2传感器可集成于心脏起搏器等植入设备，实现无源无线充电
- **水下机器人**：作为能量收集单元，可延长无人潜航器作业时间至72小时以上
- **智能可穿戴**：在柔性基底上打印的传感器阵列，压力检测灵敏度可达200 mV/N

**结论**
本研究通过相工程调控材料的光学-力学耦合特性，结合仿生结构设计，成功突破DLP打印PZT陶瓷的技术瓶颈。实验数据表明，该方案在材料利用率（达理论值96.1%）、功率密度（5.2 mW/cm2）和响应速度（0.4 ms）等关键指标上均达到行业领先水平。未来可通过开发智能固化辅助系统（如UV光场调控技术）进一步提升打印质量，结合自修复涂层技术可望将器件寿命延长至10年以上，为新一代智能传感装备的制造提供了重要技术范式。