数字光处理3D打印0-3型压电陶瓷复合材料：面向智能超结构的系统优化与性能调控

编辑推荐：针对DLP打印0-3型PZT复合材料存在的密度/折射率失配问题，研究人员通过等离子体预处理优化浆料均匀性，建立光强-能量剂量耦合的固化模型，成功制备出具有定制化电信号输出的柔性压电传感器，为功能材料的结构-性能一体化设计提供新范式。

　　压电材料在传感器、能量收集等领域具有重要应用，但传统压电陶瓷（如锆钛酸铅PZT）存在脆性大、难以加工复杂结构的瓶颈。数字光处理（DLP）3D打印技术为制造复杂几何形状的压电复合材料提供了新途径，然而0-3型（陶瓷颗粒分散于聚合物基体）PZT复合材料在打印过程中面临双重挑战：密度差异导致颗粒沉降，折射率差异（PZT=2.66 vs 聚合物<1.6）引发严重光散射。这些因素使得高固含量复合材料的打印工艺窗口极其狭窄。

针对这一难题，国内研究团队开展系统性研究，通过创新性方法解决了材料制备与工艺优化问题。研究首先采用空气等离子体预处理PZT颗粒，在表面引入羟基（-OH）以增强硅烷偶联剂（TMSPM）的接枝效率，傅里叶变换红外光谱（FTIR）显示特征峰强度提升表明改性效果显著。在工艺优化方面，研究突破性地发现DLP固化深度不仅取决于能量剂量（E₀），还与光强（I₀）密切相关——这与立体光刻（SLA）有本质区别。通过建立修正的Beer-Lambert模型，揭示衰减系数μ与光强的幂律关系（μ=0.0818I₀^-0.3494+0.005），为工艺参数选择提供理论依据。

关键技术方法包括：1）等离子体辅助陶瓷表面功能化；2）多参数曝光策略（分时调控光强与能量）；3）添加光吸收剂（Sudan IV）控制散射；4）改进极化工艺（220 kV/cm场强）；5）机械/压电性能系统表征（ASTM D638标准测试与d₃₃系数测量）。

研究结果显示：等离子体处理使复合材料杨氏模量从14.67 MPa提升至54.22 MPa，压电系数d₃₃达22 pC/N。通过优化参数（50 wt%浆料，20 μm层厚，2 s曝光），成功打印出体心立方（BCC）和拉胀结构，添加0.1 wt% Sudan IV可将临界固化能量从500 mJ/cm²提升至800 mJ/cm²，显著改善尺寸精度。最终制备的柔性压电超材料传感器展现出独特的多脉冲响应特性——单个机械冲击可产生压缩/释放双电信号，这是传统块体传感器无法实现的。

该研究的意义在于：1）建立了DLP打印功能材料的参数优化体系，2）开发的等离子体预处理方法将表面改性时间从传统数小时缩短至30分钟，3）设计的结构-功能一体化传感器为软体机器人、生物医学监测提供了新解决方案。论文发表在《Research》期刊，为智能超材料的数字化制造开辟了新路径，其工艺优化策略可推广至其他高折射率差复合材料的3D打印。