数字光处理打印压电陶瓷的界面二次固化调控策略及其超高传感性能研究

这篇研究通过创新性界面工程策略，采用数字光处理（DLP）技术制备了具有超高压电性能的压电陶瓷。通过优化曝光时间触发可控二次固化，显著提升了层间结合强度，使压电常数（d33）达到516±8 pC·N?1，接近商业陶瓷水平。所设计的超晶格组件在17.3 N压力下产生493 V开路电压，灵敏度高达27.9 V·N?1，为高性能压电传感器开发提供了新范式。

　　

摘要

数字光处理（DLP）技术为复杂结构压电元件的制备提供了新途径，但逐层堆叠特性导致的层间裂纹严重制约其性能。本研究创新性地通过调控曝光时间诱导界面二次固化，实现了铅锆钛酸铅（PZT）压电陶瓷的层间强化。

1. 引言

压电陶瓷在传感、能量收集等领域应用广泛，但传统制备方法难以加工复杂结构。DLP技术虽能实现高精度成型，却因层间结合缺陷导致性能劣化。现有研究多通过调节固化深度改善层间质量，但过度固化会引发内应力问题。本研究首次系统揭示了曝光时间通过调控树脂双键转化率影响界面二次固化的机制。

2. 结果与讨论

2.1 浆料性能与固化层表面特性

采用60 vol%超高固含量浆料，粘度低至2.71 Pa·s（剪切速率100 s^?1）。当曝光时间从5秒延长至50秒时，固化层接触角从44.51°降至28.16°，表面电位从3.5 mV升至10.9 mV，粘附功提升9.8%。20秒曝光（t-20）样品在保持精度的同时实现了最佳界面特性。

2.2 生坯界面力学性能

拉曼光谱显示t-20样品界面区双键转化率达44%，显著高于体相区域。纳米压痕测试表明其界面硬度（0.24 GPa）和弹性模量（9.4 GPa）达到峰值，拉伸强度达4.53 MPa。动态热机械分析证实其玻璃化转变温度（73.01°C）和储能模量（4201.4 MPa）最优。

2.3 陶瓷微观结构与电学性能

t-20陶瓷密度达7.425 g·cm^?3，各向同性收缩率仅13.2-13.4%。电学测试显示其压电常数d₃₃=516 pC·N^?1，机电耦合系数k_p=0.608，介电常数ε_r=1720（1 kHz），优于多数3D打印压电材料。

2.4 超晶格组件传感性能

设计的超晶格结构在17.3 N载荷下输出493 V电压和18.15 μA电流，灵敏度达27.9 V·N^?1。经10000次循环测试后仍保持稳定，且在-20-180°C宽温域内保持响应能力。

3. 结论

本研究通过曝光时间调控实现了DLP打印压电陶瓷的界面优化，为高性能复杂结构压电器件制备提供了新思路。

4. 实验方法

采用HDDA/TPGDA/U600光敏树脂体系，Irgacure 819为光引发剂。DLP打印层厚25 μm，曝光功率7.5 mW·cm^?2。通过纳米压痕、拉曼光谱、阻抗分析等多尺度表征验证性能。