宁波大学&香港大学 l 压电纳米结构的3D打印：兼顾大弹性和高压电性

1

作 者

李凯、范素峰、王晓英、陆洋

2

机 构

宁波大学、郑州大学、香港大学

3

Citation

Li K, Fan S F, Wang X Y, Lu Y. 2025. 3D nanoprinting piezoceramic with large elastic deformation and high piezoelectricity. Int. J. Extrem. Manuf.7045006.

免费获取全文

https://doi.org/10.1088/2631-7990/adbe18

撰稿 | 文章作者

01

文章导读

压电陶瓷高分辨率结构广泛应用于高性能传感器及执行器中。近年来，研究人员发展了多种压电陶瓷三维（3D）打印方法，然而，如何实现纳米尺度3D结构的高质量增材制造，同时满足大弹性应变和高压电性成为一个重要挑战。鉴于此，宁波大学李凯副教授联合香港大学陆洋教授团队在SCI期刊《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上共同发表《3D纳米打印大弹性高压电性陶瓷结构》，提出了纳米尺度3D打印新方法，通过定域热辐射黏化打印溶液，利用电流体动力效应诱导精细射流，同时定向施加静电力和拉伸力，从而实现纳米尺度自由形状陶瓷结构可控打印制造；采用100 μm内径喷针打印了多种三维PZT纳米结构（分辨率~40 nm，深宽比~400），PZT纳米结构具有标准钙钛矿晶体形态、大弹性应变（伸长率≈13%）和媲美块材的高压电性能（d31≈(236.5×10−12) C·N−1）。

02

图文解析

本研究提出了一种纳米尺度电喷打印方法来制造PZT复杂2D图形及高深宽比3D结构：利用热辐射与电流体动力复合效应在喷针口处形成高黏度PZT纳米射流，同时借助电诱导定向变形和原位热固化，实现纳米尺度高性能压电陶瓷结构的打印制造。通过优化调控多物理场参数，灵活可控打印了40 nm分辨率、400深宽比的各种PZT结构及微纳跨尺度复合3D结构（如图1所示）。

图1打印的各种纳米结构及工艺能力对比。

研究了PZT打印结构的后处理工艺，XRD、拉曼测试和EDS表明680 ℃烧结后PZT结构充分结晶，获得了标准多晶钙钛矿晶体结构；利用FIB制备了TEM测试用PZT纳米片（~90 nm），TEM结果表明PZT结构内部致密无缺陷，微观组织结果说明本研究提出的纳米尺度3D打印方法及热处理工艺可实现表面形貌光滑和内部均匀压电陶瓷结构的制造。

图2PZT结晶后的微观组织特征。

基于原位SEM拉伸测试原理，研究了PZT纳米结构的力学特性，利用高分辨率纳米压头记录的力-位移数据，获得了PZT纳米结构拉伸的应力-应变曲线，PZT纳米结构最大延伸率为12.94%；计算得出杨氏模量为60‒80 GPa，远小于PZT厚膜、块体PZT的杨氏模量。这种异于块体PZT结构的大应变特征得益于打印过程热辐射加速溶剂蒸发，获得了高黏PZT纳米射流，减少了后处理过程中溶剂挥发造成的内部空洞与表/界面缺陷。

图3PZT纳米结构的实验力学特性。

利用各向异性湿法刻蚀方法制备了梯度尺寸的硅掩模，提出了基于直线传播的定向光束准直掩模对准方法和硅掩模辅助溅射方法，并利用此方法制备了PZT结构两侧电极，压电响应测试表明PZT结构的压电常数d31为236.5×10−12 C·N−1，展现出高压电性能。打印制备了节肢动物纤毛气流感知启发的流速传感器，实现了超低风速的探测。

图4PZT结构的压电特征及仿生气流传感器。

03

总结与展望

本研究面向纳米尺度压电3D结构的制造需求，针对现有电喷打印特征尺度限制和结构缺陷的难题，以实现压电3D结构纳米分辨率、大弹性应变和高压电性能的可控打印为目标，提出了附加物理场调控的纳米尺度电喷3D打印新方法，研究了电喷射流的定域聚焦机理及定向控形机制，实现了多种纳米尺度复杂2D图形及高深宽比3D结构的打印制造，为高分辨率3D功能结构及其器件的增材制造提供了可行方案。

04

作者简介

李凯

宁波大学

第一作者、共同通讯作者：李凯，宁波大学机械工程与力学学院副教授、博士生导师，2020年5月博士毕业于大连理工大学机械工程学院，入选宁波市“甬江引才工程”青年创新人才、宁波市“拔尖人才”，宁波大学“力学+”交叉学科拔尖创新青年基金、胡岚优秀博士基金获得者。主要研究方向为微纳3D打印、微纳功能结构及器件，主持国家自然科学基金、中国博士后基金、省自然科学基金、人才项目等近20项，在《International Journal of Extreme Manufacturing》《Chemical Engineering Journal》等期刊发表研究论文30余篇；以第一导师指导学生获“挑战杯”全国特等奖一项、“互联网+”全国银奖一项；担任福建省教育评估专家、《Nanotechnology and Precision Engineering》期刊青年编委。

陆洋

香港大学

共同通讯作者：陆洋，香港大学工学院副院长，机械工程系讲席教授，HKU-100 Scholar（港大百人学者），主要研究领域为微纳米力学及先进制造，以第一或通讯作者在《Science》《Nature Nanotechnology》《Nature Materials》等学术刊物发表文章200余篇，并担任国际期刊《Materials Today》的副主编以及《国家科学评论》、《中国科学: 技术科学》《Acta Mechanica Sinica》等学术期刊的编委。获得香港大学教育资助委员会(UGC)「杰出青年学者奖 2013/14」，2017 年香港城市大学「校长奖」以及2019 年度「杰出研究奖(青年学者)」，并入选并完成首届(2019 年)国家自然科学基金(NSFC)「优秀青年科学基金(港澳)」项目，以及入选首届香港研究资助局(RGC)「研资局研究学者计划 2020/21」，并于2022年当选为香港青年科学院（YASHK）成员。

极端制造 l

▌三维科学 l 无限可能

投稿丨 2509957133@qq.com

www.3dsciencevalley.com