近日，西安交通大學、西安電子科技大學兩所高?？蒲袌F隊聯(lián)手攻關，突破“卡脖子”技術，在3D打印壓電器件應用領域取得重要突破。

　　據(jù)介紹，通俗來講，壓電器件就像現(xiàn)代醫(yī)療診斷、工業(yè)無損檢測和智能傳感系統(tǒng)的“心臟”，既要性能過硬，又得能做出復雜結構才能滿足實際需求。3D打印技術憑借其成型快、設計靈活的優(yōu)勢，在制造復雜形狀的壓電元件上展現(xiàn)出巨大潛力。但長期以來，3D打印的壓電陶瓷存在致密性不足、性能不如傳統(tǒng)方法制品等問題，難以投入實際應用。

　　這背后隱藏著一連串環(huán)環(huán)相扣的難題：壓電陶瓷粉體尤其是鉛基粉體折射率高，加入打印用的光敏樹脂后，會阻礙紫外線固化，容易導致打印件分層開裂;打印過程中產生的微小缺陷，會讓后續(xù)燒結后的陶瓷內部布滿孔隙;如何設計匹配的器件結構，讓高性能復雜陶瓷真正發(fā)揮作用，一直沒有好的解決方案……這些問題成為3D打印壓電器件從實驗室走向實際應用的“攔路虎”。

　　針對這一痛點，西安交通大學蔣莊德院士團隊與西安電子科技大學楊銀堂教授團隊聯(lián)手，提出“壓電材料-復雜結構-器件應用”的全鏈條設計策略，借助數(shù)字光處理技術(DLP)實現(xiàn)了突破性進展。

　　為解決打印固化難題，團隊通過仿真計算與實驗研究發(fā)現(xiàn)，將傳統(tǒng)使用的0.6微米壓電陶瓷粉體，優(yōu)化為1.0~1.5微米的粒徑，大幅減少了光散射，讓紫外線順利固化，有效避免了打印件分層開裂的問題，成功打印出邊緣清晰、結構完整的復雜形狀壓電陶瓷。就連傳統(tǒng)工藝難以實現(xiàn)的8陣元環(huán)形陣列結構也能順利成型。

　　燒結環(huán)節(jié)中，團隊通過精細調控工藝，讓陶瓷致密度達到95%以上且無裂紋。其中，用1.0微米粒徑粉體在1235℃下燒結的Sm-PMN-PT壓電陶瓷，壓電系數(shù)高達1285pC/N，性能表現(xiàn)十分優(yōu)異。

　　更關鍵的是，這項技術已成功落地到實際器件中。團隊利用3D打印制成的8陣元環(huán)形陣列超聲換能器，不僅帶寬達到60%，脈沖回波峰值電壓更是高達952毫伏，綜合性能超過現(xiàn)有其他3D打印換能器。

　　成像測試中，該換能器通過動態(tài)聚焦，將成像分辨率提升了10%~55%，能清晰呈現(xiàn)線靶和無損檢測試塊的精細結構，充分展現(xiàn)了復雜結構設計帶來的性能優(yōu)勢。

　　這項成果打通了從材料制備、3D打印到器件集成的完整技術鏈路，為醫(yī)療診斷、無損檢測等領域的壓電器件定制化設計開辟了新途徑。目前，相關研究成果已在國際知名期刊《先進材料》(Advanced Materials)上發(fā)表。

　　(記者 任娜 通訊員 鄭坤)