基于3D打印方法制备的微型多层结构压电驱动器、微马达研究

Because of advantages of quick response, high resolution and large driving force, multilayer piezoelectric actuators have been applied to many research or engineering fields as precise actuation components. However, the fabrication of conventional multilayer piezoelectric actuators was based on tap-casting method, not only the fabrication processes are complex, but also production cycle is long; and the structures and sizes of multilayer actuators are also limited. Fast development in the fields of mobile communication and micro electromechanical system (MEMS) requires new fabrication technology for the development of miniature multilayer piezoelectric actuators and micromotors. In this project, we will introduce 3D printing technology to multilayer actuator/micromotor fabrication. Research contents include (i) modification on PZT-based piezoelectric ceramics, (ii) 3D printing fabrication processes of multilayer ceramic actuators, and (iii) investigation on actuation performances and applications. The proposed project will suggest a new method for miniature multilayer ceramic actuators or components fabrication, and replace the electromagnetic driving technology in the fields of mobile communication and MEMS. Therefore, our research will be significant to prompt the development of piezoelectric precision actuator technology in China after it is successfully implemented.

多层结构压电驱动器具有反应快、精度高和大驱动力等优点, 已在众多领域获得普遍应用。但传统的多层压电陶瓷驱动器制作是基于流延工艺或轧膜方法，不仅制备工艺复杂、周期长，压电驱动器的尺寸、结构制作也受到限制。而随着移动通讯、微机电系统（MEMS）的快速发展，对微型化压电驱动技术提出了新的挑战。发展3D打印制备的微型多层压电驱动技术、新的制备方法、以及研究新制备工艺中的科学问题，将有望推动压电驱动技术的创新性发展。本课题首次尝试利用增材技术制备微型多层结构压电驱动器、微马达，研究内容包括：（1）PZT基压电陶瓷材料改性研究；（2）基于3D打印制备的微型化多层压电驱动器的制备工艺研究；（3）微型多层驱动器的性能表征与应用研究。本课题的顺利实施，不仅可以开辟压电驱动器、元件的3D打印增材制造方向，还将实现压电驱动器制造的智能化、微型化，在学术上、工程应用方面其意义都十分重大。

精密定位技术作为关键技术之一，在近代尖端工业生产和科学研究占有极其重要的地位，左右着各领域精密技术的发展。本课题组在面上基金资助下，在压电材料制备、压电驱动器、微马达、3D打印压电器件方面进行了系统深入研究，取得系列国际先进或领先水平的成果。.压电材料方面:.1）将织构方法引入到PNN-PZT陶瓷材料中，成功制备出 [001]c-Textured PNN-PZT陶瓷，获得超高压电系数：d33=1200 pC/N，为织构压电陶瓷材料中的最高值。.2）基于超材料思想首次实现全部非零的18个压电应变系数单元，而且部分单元表观压电系数测量值比自然压电系数高出一个数量级以上，打破了传统上70多年来压电陶瓷材料只有五个非零压电系数dij的认知。.3）改性铋钛酸铅陶瓷实现了超低介电损耗(0.58%)，居里温度几乎不变(449 ℃),高机电特性(d33=360 pC/N, kp=0.53),在200 ℃下稳定性能。.压电驱动器、微马达方面:.1）提出一种新型切变模式多层压电驱动器，保证大位移输出的条件下，实现18 N载荷承载能力，同时该结构驱动器可以实现最小位移分辨率0.1 um。.2）首次提出了一种准切变模式多层共烧压电驱动器及其制备方法，包括d36、d35和d34准切变模式多层共烧压电致动器，获得了7 纳米超高步进分辨率。.3）首次提出了压电-电磁双机理直线电机，在获得大推力、快速运动的同时，还获得了2 纳米超高步进分辨率，有望应用于多个高精尖核心技术领域。.3D打印压电器件方面：.1）利用3D打印制备橄榄球新颖结构压电能量收集器，其表观压电系数及功率密度获得了显著提升。.2）通过3D打印在PVDF-TrFE压电薄膜上下表面设置一对错位的叉指电极，并倾斜极化，获得了增强的力-电敏感效应。.3）利用3D打印技术，成功制备了一种具有高机电耦合和压力敏感的聚合物基柔性压电陶瓷复合材料，可以实现任意网格形状的设计制备。.本项目以全面、超额完成原定任务目标，共在Science Advanced, Energy & Environmental Science, Advanced Materials等国际顶尖和权威刊物上