1880年，法國物理學(xué)家居里兄弟發(fā)現，把重物發(fā)在石英晶體上，晶體某些表面會(huì )產(chǎn)生電荷，電荷量與壓力成比例。利用壓電材料的這些特性可以實(shí)現機械振動(dòng)（聲波）和交流電的相互轉換。打火機的點(diǎn)火裝置，就是利用此原理進(jìn)行打火。后來(lái)壓電材料廣泛應用于各種傳感器（如圖1）中，例如換能器、傳感器、驅動(dòng)器、聲納、手機和機器人等方面。

圖1  壓電陶瓷傳感器

壓電效應的產(chǎn)生是晶胞中正負離子在外界條件作用下出現相對位移，使得正負電荷的中心不再重合，導致晶體發(fā)生宏觀(guān)極化。壓電電荷的流動(dòng)方向取決并且遵循其陶瓷和晶體材料的晶格排列，因此壓電陶瓷和壓電聚合物復合材料的壓電常數與其結構組成有著(zhù)密切的相關(guān)性。美國弗吉尼亞理工大學(xué)的鄭小雨（Rayne Zheng）教授及其實(shí)驗室的博士團隊使用3D打印的方式實(shí)現了新型壓電材料的制造，并且采用這種方法制備了具有高壓電特性的材料，實(shí)現電壓在任意方向可被放大、縮小和反向的特征。

圖2 高靈敏度壓電材料的合成以及3D打印制造

圖3  壓電材料3D打印制造（弗吉尼亞理工大學(xué)）

 這種壓電材料的制造方法為：首先采用功能化劑（三甲氧基甲基丙烯酸丙脂）共價(jià)接到PZT（鋯鈦酸鉛壓電陶瓷）顆粒上合成表面功能化的壓電納米粒子，表面通過(guò)硅氧烷鍵在表面留下自由的甲基丙烯酸酯（如圖2-a）；通過(guò)提高表面功能化水平，提高復合顆粒材料的壓電相應水平，使之達到最大（如圖2-b）;最后通過(guò)面投影3D打印方式實(shí)現納米顆粒的粘接成型（如圖2-c和圖3）,最終得到需求的壓電材料結構，其顯微鏡結構（如圖2-d）。

基于此項技術(shù)，壓電新型材料在很多領(lǐng)域得到應用

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多功能柔性可穿戴智能材料

通過(guò)電壓激活后能夠設計和制造出一系列新型智能材料。該三維材料具有任意形狀，任意內部結構復雜度，并且每一個(gè)節點(diǎn)、單元和材料本身任意部位均具有壓電感應功能，無(wú)需任何附加傳感器即可實(shí)現電壓輸出。根據該材料的特性，開(kāi)發(fā)出了柔性壓電材料（如圖4），為將來(lái)可穿戴柔性器件開(kāi)發(fā)做好基礎準備。

圖4  打印的柔性材料薄片（弗吉尼亞理工大學(xué)）

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自感應吸能材料及護甲

由于這種智能材料各個(gè)部位均具有壓電感應，其打印支撐的三維結構將無(wú)需任何附加傳感器，并探測出任意位置的壓力或者震動(dòng)?，F有傳感技術(shù)和結構損傷檢測當中，需要在各個(gè)位置上布滿(mǎn)大量的壓電傳感器，并且對于復雜結構，需要通過(guò)復雜算法優(yōu)化計算，最終來(lái)確定傳感器陣列的布置。然而，這種自感應三維材料，則可以通過(guò)任意位置的壓電結構材料，首.次解決了這項難題，并且通過(guò)智能橋梁結構得到驗證（圖5）。

圖5 智能橋梁檢測實(shí)驗

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矢量傳感領(lǐng)域

通過(guò)人工晶格設計制成的壓電超材料，可以很靈巧的實(shí)現矢量探測傳感功能，通過(guò)利用改型材料不同結構有不同壓力靜電相應的特性，設計如圖(6-b)所示的結構，并對不同方向進(jìn)行壓力測試，可以實(shí)現三個(gè)方向的不同壓電系數的壓電材料制備。

圖6  力方向感知測試

國內西安交通大學(xué)陳小明教授也在應用3D打印技術(shù)研究壓電材料，其將壓電聚合物或陶瓷與光敏樹(shù)脂混合制備成復合材料，然后將復合材料利用深圳摩方（BMF）的3D打印設備S140進(jìn)行打印成型，從而制成相應的壓電器件。除此之外，利用3D打印技術(shù)可以制備具有多種微結構的器件（圖7），相比于傳統的微納加工工藝具有成型快，成本低，可定制化等優(yōu)點(diǎn)。打印的微結構復合壓電器件相比于平模，極大的提高了壓電輸出，器件性能成倍增加。

圖7  3D打印的多種微結構壓電器件圖

BMF的S140（圖8）設備打印光學(xué)精度達到10um，打印層厚10~40um，打印幅面最大能夠達到94mm(L)*52mm(W)*45mm(H)，而且其支持多種樹(shù)脂材料打印，例如韌性樹(shù)脂、耐高溫樹(shù)脂、生物醫用樹(shù)脂、柔性樹(shù)脂等等，能夠最大限度的滿(mǎn)足不同客戶(hù)的科研需求。

圖8   S140設備簡(jiǎn)圖

通過(guò)3D打印來(lái)實(shí)現各向異性和定向效應的高響應性壓電材料，有效促進(jìn)了3D傳感器材料方向的發(fā)展。通過(guò)這種材料，用戶(hù)可以為目標應用進(jìn)行設計、放大和抑制等操作模式。這種新型結構與功能的壓電材料突破了傳統傳感器整列部署的模式，通過(guò)3D打印制造方式為未來(lái)智能材料設計提供了一種思路。