3D打印的PZT陶瓷环，具有内凹晶格结构，用于在径向载荷下增强传感

《Ceramics International》：3D-printed PZT ceramic ring with a re-entrant lattice for enhanced sensing under radial loading

　　

摘要

压电陶瓷环因其中心孔便于结构集成和 circumferential 载荷传递，在管状界面径向载荷传感方面具有吸引力。然而，传统致密锆钛酸铅（PZT）环在径向载荷下对局部变形和压电电位分布的控制能力有限。本研究通过微立体光刻技术制备了一种内凹晶格增强PZT陶瓷环（RE-PZT环）。有限元模拟表明，内凹晶格改变了径向载荷传递路径，并改变了应力和压电电位分布。在相同的均匀内壁压力下，RE-PZT环表现出比普通PZT环更大的径向变形和更高的开路电压。实验结果表明，在球囊介导的径向加载下，该环具有良好的结构完整性和增强的电压响应。在每种环结构的三个独立制备试样中，RE-PZT环和普通PZT环对球囊充气压力的平均表观电压灵敏度分别为0.353 mV/kPa和0.197 mV/kPa。在相同的球囊充气压力下，RE-PZT环始终表现出比普通PZT环更高的输出电压。在不同机械刺激下的额外定性测试进一步证明了RE-PZT环的响应能力。

引言

压电陶瓷可实现机械信号与电信号的相互转换，已广泛应用于传感、驱动、能量转换和结构健康监测等领域[1], [2]。除传统工程应用外，压电材料在植入式及生物集成系统中的应用日益受到关注，在这些系统中，机械产生的电信号可用于组织再生、抗感染以及机械激活的治疗功能。近期研究进一步表明，结构化压电植入物能够将生理或外部施加的机械刺激与可编程生物电响应耦合，凸显了压电器件中结构适应性和机电调节的重要性[3], [4]。随着智能电子、微机电系统和结构监测技术的发展，压电器件不仅需要良好的材料性能，还需在复杂载荷条件下具备良好的结构适应性。因此，通过结构设计来调节载荷传递路径、重新分布应变场以及定制定向压电响应，已成为提升压电器件传感性能的重要策略[5]。

在各种压电器件中，环形结构因其独特的中心孔和周向连续几何形状而受到越来越多的关注。作为压电换能器和传感器中常见的几何形状[6], [7]，压电环易于与圆柱形、管状及局部曲面结构集成。与具有板、梁或块体几何形状的传统压电元件相比，它们具有更好的界面适应性和结构集成潜力[8], [9]。环形结构在径向载荷、内壁接触和周向变形下也能产生机电响应。它们已被应用于多向力传感[10]、结构健康监测[11], [12]、水声聚焦[13]、能量收集[14], [15]以及具有多自由度的小型环形驱动器[16], [17]。然而，传统PZT环通常被制造成连续致密的环形结构。尽管这种设计有助于确保机械完整性和功能稳定性[18]，但在局部径向加载或内壁接触下，其调节径向载荷传递和重新分布机械诱导变形的能力仍然有限。因此，需要一种结构设计策略，在保持中心孔的同时改善径向载荷下的机电响应。

内凹机械超材料结构为改善压电陶瓷器件的机电响应提供了一条几何途径。与材料成分优化相比，机械超材料通过几何设计调节结构变形模式和局部应变分布来增强传感性能[19], [20]。内凹结构（如内凹六边形结构）表现出可调变形行为。当引入压电陶瓷器件时，韧带弯曲和节点旋转可以改变加载下的整体变形模式和载荷传递路径，导致变形场和压电电位的重新分布[21], [22]。这些变化随后会影响器件的电输出。拉胀和内凹结构已越来越多地应用于传感装置，因为其几何特征可以增强应变传递和传感性能[23]。Wei等人通过微立体光刻（μSL）制造了平面拉胀PZT陶瓷片，并报告了与实心陶瓷相比改善的传感响应[24]。然而，平面结构无法解决环形压电器件相关的周向载荷传递行为、分布内壁压力或管状界面传感特性。尽管圆形拉胀结构在压电能量收集方面也已进行了理论研究[25]，但中心孔PZT陶瓷环在径向内部载荷下的机电响应仍未得到充分研究。因此，将内凹六边形单元引入环形PZT陶瓷环可能提供一种可行的策略，在不改变材料成分的情况下调节局部变形行为，从而改善径向压力加载下的压电输出。

含有内凹单元的压电陶瓷环具有复杂的几何形状，难以通过传统切割或模压工艺制造。陶瓷增材制造能够制造复杂的陶瓷结构[26], [27], [28]，并允许通过结构设计定制其机械和电响应。例如，近期关于3D打印梯度陶瓷结构的研究表明，结构排列可以影响变形和机电响应[29]。在这些技术中，μSL提供了高精度、高设计灵活性和无模制造能力[30]。它已成功应用于KNN[31]和PZT[32]压电陶瓷结构的制造。这些特性使μSL适用于制造具有可控变形行为的结构化压电陶瓷。因此，μSL为制造复杂压电陶瓷环提供了一种实用方法。

本研究设计并利用μSL制造了一种具有周向内凹六边形单元阵列的环形压电陶瓷传感器。打印的环随后经过热处理、电极沉积、极化和封装。采用相同技术制备了具有相同内径、外径和厚度的致密PZT环作为对照样品。通过有限元模拟和实验测试共同研究了两种环形结构在径向载荷条件下的应力分布、电位响应和电压输出特性。结果表明，引入内凹六边形结构改变了环形陶瓷体内的径向载荷传递行为和压电电位响应，从而增强了径向内壁加载下的电输出。此外，利用球囊介导的径向加载评估了电压响应随球囊充气压力的变化，并证明了在内壁接触加载下的传感可行性。

章节片段

结构设计与有限元建模

为了调节环形PZT环内的径向载荷传递和变形，在内缘和外缘之间引入了内凹六边形单元并沿周向排列，如图1(a)所示。

RE-PZT环的关键几何参数如图1(b)所示。全局结构参数包括外半径R、内半径r、外缘宽度w、厚度b以及蜂窝单元数量。单元胞参数包括梁长L、梁厚t、

仿真性能

如图3(a)所示，应力呈非均匀分布，并集中在韧带连接处和内凹角附近。与平面拉胀片不同，环形结构形成了闭合的周向载荷路径，通过该路径将内壁压力传递到多个内凹单元。周向连接耦合了相邻单元的变形，因此韧带弯曲和节点旋转共同导致了所观察到的应力重新分布。

为了

结论

总之，RE-PZT环通过微立体光刻设计和制造，以增强径向载荷下的传感性能。内凹晶格在保持环形几何形状和中心孔的同时，调节了径向载荷传递和局部变形分布。RE-PZT环在热处理后保持了结构完整性和可测量的压电性能。在相同的均匀内壁压力下，有限元模拟表明RE-PZT环表现出更大的

CRediT作者贡献声明

Xiao Wei: 写作 – 审阅与编辑。 Dawei Wu: 写作 – 审阅与编辑，监督，资源，项目管理，资金获取，概念化。 Xiangyu Ding: 写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿，可视化，验证，监督，软件，方法学，调查，形式分析，数据管理，概念化。 Yirui Li: 写作 – 审阅与编辑，方法学，调查。 Kang Yan: 写作 – 审阅与编辑，资金获取，

利益冲突声明

作者声明，他们不存在已知的、可能影响本稿件所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

利益冲突声明

? 作者声明，他们不存在已知的、可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到国家自然科学基金（批准号：12227802）、江苏省前沿技术研发计划（批准号：BF2025073）以及机械结构力学与控制国家重点实验室（南京航空航天大学）研究基金（批准号：MCAS-I-0425G04）的资助。

Xiangyu Ding|Yirui Li|Jianbin Zhou|Yulian Xiong|Kang Yan|Xiao Wei|Dawei Wu