《Nature》子刊：3D打印仿生結構中生長可回收和可修復的壓電復合材料

來源： 果殼硬科技

最近，輕便、耐用且智能的生物電子傳感器在運動和老年學領域得到了廣泛的研究和開發(fā)，這是由于集成傳感功能和保護需求的增加。然而，智能傳感功能和高強度的保護并不總能達到平衡。例如，最前沿的可穿戴電子產品用軟性壓電材料或柔性印刷電路板（F-PCB）構建，但它們在保護方面存在不足。相比之下，高級裝甲采用堅固的有機纖維、金屬或無機陶瓷制成，但難以應用于傳感器技術。未來的應用將需要將傳感和保護功能整合到一體，以生產多功能可穿戴傳感器，如運動背心、太空裝甲和老年護理設備，這將需要新的制造策略來實現(xiàn)。

多功能傳感器結構設計的基礎是源于受啟發(fā)和構建于特定微觀結構的轉化。自然界中存在的生物結構已經演化了成千上萬年，并因其低密度和高強度而在各種應用的功能結構材料設計中引起廣泛興趣。一個引人注目的例子是墨魚（Cuttlefish），其具有堅固的墨魚骨結構（Cuttlebone），能夠承受深海高水壓環(huán)境。墨魚骨的卓越保護性能關鍵在于其獨特的腔壁隔片微結構，能夠在高壓環(huán)境下實現(xiàn)高剛度和吸能性。此外，這些隔片微結構還在墨魚骨內部提供了高孔隙率，成為多功能傳感器設計的絕佳模型。

鑒于此，美國圣地亞哥州立大學Yang Yang教授團隊和武漢大學Ziyu Wang教授團隊合作，報告了一種策略，在 3D 打印的墨魚骨啟發(fā)結構中生長可回收和可修復的壓電羅謝爾鹽晶體（Rochelle Salt Crystal），以形成用于智能檢測的新型強化復合材料。論文以“Growing Recyclable and Healable Piezoelectric Composites in 3D Printed Bioinspired Structure for Protective Wearable Sensor”為題，發(fā)表在Nature Communications期刊。

圣地亞哥州立大學及加州大學圣地亞哥分校聯(lián)合培養(yǎng)博士生Qingqing He，南加州大學博士生Yushun (Sean) Zeng， 四川大學材料科學與工程學院特聘副研究員Laiming Jiang為論文的共同第一作者。論文參與作者還包括圣地亞哥州立大學Eugene Olevsky教授，Wenwu Xu教授，博士生Runjian Jiang，研究生Brandon Bethers，南加州大學博士生Gengxi Lu, Haochen Kang, Chen Gong, 武漢大學Pei Li，Yue Hou，加州大學爾灣分校Lizhi Sun教授，博士生Shengwei Feng，Grossmont College學院學生Peter Sun以及Canoo Technologies Inc的Jie Jin博士。

方法

a. 理論背景:

本文討論了多功能可穿戴傳感器的需求，這些傳感器結合了感知和保護功能。目前用于生物監(jiān)測的可穿戴電子設備缺乏保護能力，而先進的裝甲不能作為傳感器。作者提出了一種策略，通過在3D打印的魷魚骨結構中生長可回收和可愈合的壓電羅謝爾鹽晶體，以創(chuàng)建一種新的增強型智能監(jiān)測裝置的復合材料。

b. 技術路線:

傳統(tǒng)的壓電復合材料制造技術受到復雜的微觀結構設計的限制。作者提出使用增材制造，特別是3D打印，來克服這些障礙，并制造具有增強機械和電氣性能的復雜仿生結構。魷魚骨結構中的空腔空間可以填充具有特定功能的材料，用于傳感應用。

結果

a.實驗設置:

作者直接在3D打印的魷魚骨結構中生長羅謝爾鹽晶體，以創(chuàng)建具有集成機械保護和電氣感應能力的智能監(jiān)測裝置。使用光固化技術進行3D打印，羅謝爾鹽晶體填充了微觀結構壁之間的間隙。

b. 實驗結果:

3D打印的魷魚骨結構中生長的羅謝爾鹽晶體表現(xiàn)出較高的壓電性能。復合材料的輸出電壓受垂直方向施加的重量負載顯著影響。與其他制造的復合材料相比，20%的復合材料顯示出最高的輸出性能。循環(huán)沖擊測試表明，3D打印的羅謝爾鹽晶體裝置在6800次沖擊循環(huán)中保持穩(wěn)定的輸出電壓。20%復合材料的有效壓電系數d33約為30 pC/N。復合材料還表現(xiàn)出相反的壓電行為，施加電壓時位移增加。結構有限元方法模擬確認了在垂直于復合材料施加重量時的壓電電位分布。與其他3D打印的壓電材料相比，3D打印的羅謝爾鹽晶體顯示出優(yōu)異的壓電輸出電壓和相對較低的沖擊力。

圖1 3D 打印 RSC 的設計和晶體生長過程a) 仿生3D打印墨魚骨骼結構和RS晶體生長過程示意圖；b) 3D打印結構中不同時間晶體生長的圖片；樣品的CT掃描圖和樣品的EDX元素分析；c) 多個3D打印的人造墨魚骨復雜結構的照片，展示了這種3D打印方法的設計靈活性。

圖2 3D 打印 RSC 的回收和修復性能研究a) 通過注射器滴加RS溶液修復破損的3D打印RSC樣品過程的示意圖和照片；b) 3D打印-RSC回收過程照片；c) 原始3D打印RSC樣品與回收和修復后樣品的壓電響應比較；d) 原始樣品、修復樣品、回收樣品的力學性能對比；e) 原始、愈合、回收的 3D 打印 RSC 樣品的斷裂韌性 (KIC) 和彎曲強度 (KF) 比較。

圖3 用于增強防護的智能裝甲的 3D 打印 RSC。

圖4 復合材料在智能跌倒檢測保護增強護膝中的應用a) 護膝示意圖及圖片，以及護膝報警檢測測試；b) MATLAB元件塊分布以及智能護膝跌倒測試得到的輸出電壓的電壓波形；c) 智能護膝感應不同程度跌倒（包括輕度跌倒、中度跌倒、重度跌倒）的電壓輸出波形和MATLAB壓電元塊分布數據采集。

論文信息

發(fā)布期刊 Nature Communications

發(fā)布時間 2023年10月14日

文章標題 Growing Recyclable and Healable Piezoelectric Composites in 3D Printed Bioinspired Structure for Protective Wearable Sensor

（https://doi.org/10.1038/s41467-023-41740-6）