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Ingenieure entwickeln 3D-Druckverfahren für piezoelektrisches Material

Die kleinen Wunder der Technik, die in allen Bereichen zu finden sind, von unseren Handys bis hin zu musikalischen Grußkarten, haben die Designfähigkeit erheblich verbessert.

Piezoelektrisch Materialien sind kleine Wunder der Technik, die aufgrund ihrer Fähigkeit zu g in allem zu finden sind, von unseren Handys bis zu musikalischen Grußkarten Erzeugen einer elektrischen Ladung als Reaktion auf angelegte mechanische Beanspruchung. Sie haben jedoch ihre Grenzen.

Die äußerst nützlichen und beliebten Materialien sind in nur wenigen definierten Formen erhältlich. Darüber hinaus bestehen sie aus sprödem Kristall und Keramik, für deren Herstellung ein Reinraum erforderlich ist.

Jetzt dank eines Romans Technik von Virginia Tech kann das Material sein 3D-Druck auf eine Weise, die sie nicht durch Form oder Größe einschränkt.

frei gestaltet

"Piezoelektrische Materialien wandeln Dehnung und Spannung in elektrische Ladungen um", erklärte Xiaoyu 'Rayne' Zheng, Assistenzprofessor für Maschinenbau am College of Engineering und Mitglied des Macromolecules Innovation Institute.

"Wir haben eine Entwurfsmethode und eine Druckplattform entwickelt, um die Empfindlichkeit und die Betriebsmodi von piezoelektrischen Materialien frei zu gestalten."

Industrie

Neue Ressource für piezoelektrische Energie entdeckt

"Durch Programmieren der aktiven 3D-Topologie können Sie so gut wie jede Kombination von piezoelektrischen Koeffizienten innerhalb eines Materials erzielen und diese als Wandler und Sensoren verwenden, die nicht nur flexibel und stark sind, sondern auch elektrisch auf Druck, Vibrationen und Stöße reagierenSignale, die den Ort, die Größe und die Richtung der Stöße an jedem Ort dieser Materialien angeben. "

Zhengs Team entwarf eine Reihe von 3D-druckbaren Topologien, mit denen das Material elektrische Ladungsbewegungen als Reaktion auf einfallende Kräfte und Vibrationen aus jeder Richtung erzeugen kann. Im Gegensatz zu früheren Piezoelektriken, bei denen die elektrische Ladung durch intrinsische Kristalle bestimmt wurde, können Benutzer mit der neuartigen Methodedie Spannungsantworten vorschreiben, die in eine beliebige Richtung vergrößert, umgekehrt oder unterdrückt werden sollen.

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Zhengs Team hat dies erreicht, indem es Ersatzstoffe für die intrinsischen Kristalle herstellte, die sie nachahmen, während die Gitterorientierung geändert werden konnte.

"Wir haben eine Klasse hochempfindlicher piezoelektrischer Tinten synthetisiert, die mit ultraviolettem Licht zu komplexen dreidimensionalen Merkmalen geformt werden können. Die Tinten enthalten hochkonzentrierte piezoelektrische Nanokristalle, die mit UV-empfindlichen Gelen verbunden sind und eine Lösung bilden - eine milchige Mischung wiegeschmolzener Kristall - den wir mit einem hochauflösenden digitalen Licht-3D-Drucker drucken ", sagte Zheng.

"Wir können die Architektur so anpassen, dass sie flexibler wird, und sie beispielsweise als Energiegewinnungsgeräte verwenden, um sie um eine beliebige Krümmung zu wickeln", sagte Zheng. "Wir können sie dick und leicht, steif oder energie- machen.absorbieren. "

Empfindlichkeit 5-fach höher

Die resultierenden Materialien haben auch eine 5-fach höhere Empfindlichkeit als flexible piezoelektrische Polymere, so dass sie in einem Maßstab hergestellt werden können, der von einer dünnen Mullschicht bis zu einem stabilen Block reicht.

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"Wir haben ein Team, das sie zu tragbaren Geräten wie Ringen und Einlegesohlen verarbeitet und in einen Boxhandschuh einbaut, mit dem wir Aufprallkräfte aufzeichnen und die Gesundheit des Benutzers überwachen können", sagte Zheng.

"Die Fähigkeit, die gewünschten mechanischen, elektrischen und thermischen Eigenschaften zu erreichen, wird den Zeit- und Arbeitsaufwand für die Entwicklung praktischer Materialien erheblich reduzieren", sagte Shashank Priya, stellvertretender Vizepräsident für Forschung am Penn State und ehemaliger Professor für Maschinenbau an der Virginia Tech.

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