转自：西安发布

近日

西安交通大学、西安电子科技大学

两所高校科研团队联手攻关

突破“卡脖子”技术

在3D打印高性能压电材料与器件领域

取得突破性进展

据了解，压电器件就像现代医疗诊断、工业无损检测和智能传感系统的“心脏”，既要性能过硬，又得能做出复杂结构才能满足实际需求。3D打印技术凭借其成型快、设计灵活的优势，在制造复杂形状的压电元件上展现出巨大潜力。但长期以来，3D打印的压电陶瓷存在致密性不足、性能不如传统方法制品等问题，难以投入实际应用。

这背后隐藏着一连串环环相扣的难题：压电陶瓷粉体尤其是铅基粉体折射率高，加入打印用的光敏树脂后，会阻碍紫外线固化，容易导致打印件分层开裂；打印过程中产生的微小缺陷，会让后续烧结后的陶瓷内部布满孔隙；如何设计匹配的器件结构，让高性能复杂陶瓷真正发挥作用，一直没有好的解决方案……这些问题成为3D打印压电器件从实验室走向实际应用的“拦路虎”。

▲3D打印压电陶瓷与换能器设计策略。

针对这一痛点，西安交通大学蒋庄德院士团队与西安电子科技大学杨银堂教授团队联手，提出“压电材料-复杂结构-器件应用”的全链条设计策略，借助数字光处理技术（DLP）实现了突破性进展。

为解决打印固化难题，团队通过仿真计算与实验研究发现，将传统使用的0.6微米压电陶瓷粉体，优化为1.0~1.5微米的粒径，大幅减少了光散射，让紫外线顺利固化，有效避免了打印件分层开裂的问题，成功打印出边缘清晰、结构完整的复杂形状压电陶瓷。就连传统工艺难以实现的8阵元环形阵列结构也能顺利成型。

(a) 不同粒径粉体的光散射仿真；(b) 不同粒径粉体浆料的固化性能实验验证(d-f) 成功打印的3阵元、8阵元环形阵列和多种复杂结构陶瓷，展示了卓越的成型能力。

烧结环节中，团队通过精细调控工艺，让陶瓷致密度达到95%以上且无裂纹。其中，用1.0微米粒径粉体在1235℃下烧结的Sm-PMN-PT压电陶瓷，压电系数高达1285 pC/N，性能表现十分优异。

更关键的是，这项技术已成功落地到实际器件中。团队利用3D打印制成的8阵元环形阵列超声换能器，不仅带宽达到60%，脉冲回波峰值电压更是高达952毫伏，综合性能超过现有其他3D打印换能器。

(a) 3D打印的8环阵列换能器；(b,c) 器件表现出优异的脉冲回波响应和带宽；(e-h) 在线靶和NDT试块成像中，环阵列展现出比单阵元更高的分辨率。

成像测试中，该换能器通过动态聚焦，将成像分辨率提升了10%~55%，能清晰呈现线靶和无损检测试块的精细结构，充分展现了复杂结构设计带来的性能优势。

这项成果打通了从材料制备、3D打印到器件集成的完整技术链路，为医疗诊断、无损检测等领域的压电器件定制化设计开辟了新途径。目前，相关研究成果已在国际知名期刊《先进材料》（Advanced Materials）上发表。