Un nuevo compuesto piezoeléctrico flexible para impresión 3D

Un nuevo compuesto piezoeléctrico flexible para impresión 3D

Credido: Wang et al.

Investigadores de la Universidad de Pekín, la Universidad de Ciencia y Tecnología del Sur y la Universidad de Jinan en China han diseñado recientemente un compuesto de polímero de cerámica que se puede utilizar para imprimir arquitecturas de cuadrícula complejas en 3-D. Este compuesto, presentado por primera vez en un artículo publicado en Nano energía, se encontró que exhibía una serie de propiedades deseables, incluida una alta flexibilidad y una alta tasa de conversión de energía electromecánica.

Materiales cerámicos piezoeléctricos, como Pb (Zr, Ti) O3 (PZT) suelen tener notables capacidades de conversión de energía electromecánica. Sin embargo, la mayoría de estos materiales son inherentemente rígidos, lo que los hace lejos de ser ideales para la fabricación de componentes electrónicos flexibles.

“Normalmente, las cerámicas piezoeléctricas son frágiles, por lo tanto, no son adecuadas para integrarse directamente en dispositivos electrónicos flexibles”, dijo a TechXplore Shuxiang Dong, uno de los investigadores que llevó a cabo el estudio. “Queríamos desarrollar un material compuesto cerámico piezoeléctrico blando impreso en 3D que fuera un polímero curable por calor que exhibiera flexibilidad mecánica y un gran voltaje electromecánico en respuesta a vibraciones mecánicas ambientales o estímulos de fuerza. Afortunadamente, lo logramos y nuestro el material compuesto tiene un gran potencial para ser utilizado en futuros sensores blandos “.

El material creado por Dong y sus colegas está compuesto por una matriz elastomérica de polidimetilsiloxano (PDMS) dopada con partículas cerámicas PNN-PZT recubiertas de plata. Su diseño y composición difieren sustancialmente de los de otros materiales cerámicos piezoeléctricos diseñados en el pasado.

El nuevo material cerámico piezoeléctrico también es mucho más fácil de producir, ya que los materiales cerámicos piezoeléctricos más convencionales generalmente requieren métodos de fabricación de sinterización a alta temperatura que consumen mucho tiempo o costosos procesos de impresión láser 3-D que involucran una técnica llamada estereolitografía. Su diseño único y su proceso de fabricación finalmente lo hacen mucho más flexible que los materiales similares desarrollados en el pasado, lo que le otorga propiedades elásticas.

“Después del proceso de polarización eléctrica, nuestro compuesto muestra un excelente acoplamiento electromecánico con una gran respuesta de fuerza a voltaje (es decir, coeficiente de voltaje piezoeléctrico), que es un orden de magnitud más alto que el de las cerámicas frágiles basadas en PZT”, dijo Dong. “Los hallazgos más significativos de nuestro trabajo son la gran respuesta de fuerza a voltaje de nuestro compuesto, así como un rendimiento más flexible y elástico”.

Como parte de su estudio, Dong y sus colegas utilizaron el nuevo compuesto que diseñaron para imprimir una serie de estructuras complejas de cuadrícula en 3D. Sus resultados sugieren que el material tiene el potencial de reemplazar una serie de piezocerámicas frágiles que se utilizan actualmente para imprimir dispositivos electrónicos para convertir energía electromecánica o sensores táctiles.

Este estudio podría tener importantes implicaciones para la producción de piezas de robots blandos, así como otros dispositivos tecnológicos. El compuesto diseñado por Dong y sus colegas podría, por ejemplo, usarse para imprimir extremidades, músculos o sensores artificiales que puedan detectar señales biológicas.

“Ahora continuaremos desarrollando materiales compuestos cerámicos piezoeléctricos blandos y métodos de impresión 3-D”, dijo Dong. “Por supuesto, también estamos buscando posibles colaboraciones que podrían permitir el uso del material compuesto piezoeléctrico blando que desarrollamos para aplicaciones robóticas”.


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