[发明专利]一种超声响应的4D打印多孔陶瓷件及其制备方法

说明书

本发明属于4D打印相关技术领域，其公开了一种超声响应的4D打印多孔陶瓷件及其制备方法，所述方法包括以下步骤：以光固化材料为原料，采用4D打印技术制得多孔陶瓷件；其中，所述光固化材料的组成原料包括压电陶瓷粉体；所述多孔陶瓷件为具备不同孔结构特征的多孔结构，通过超声手段机械刺激所述多孔陶瓷件使其发生形变而产生内源性电场。本发明基于压电陶瓷的压电效应原理，采用增材制造工艺制备出具有不同孔结构特征的压电性多孔陶瓷，采用超声手段提供机械刺激以使多孔陶瓷件发生形变而产生内源性电场，通过调控不同孔结构特征的超声载荷来实现可控的电信号输出，即通过材料和结构设计实现了性能、功能可控变化的陶瓷4D打印。

技术领域

本发明属于4D打印相关技术领域，更具体地，涉及一种超声响应的4D打印多孔陶瓷件及其制备方法。

背景技术

4D打印属于增材制造技术，其通过材料和结构主动设计，利用增材制造技术制备智能构件的技术。通过4D打印技术制备的智能构件能够在时间和空间维度上实现形状、性能和功能的可控变化，满足变形、变性能和变功能的应用需求。在这一概念指导下，近年来4D打印相关专利大量涌现，如专利201711230043.9、201910080768.7、201910080768.7等。这些专利的4D打印材料多聚焦于高分子材料和金属材料，且4D打印成形件多聚焦于形状记忆效应。

随着4D打印技术的深入研究，4D打印材料逐渐拓展到高强度、高硬度的陶瓷材料领域，如专利201910501955.8、201810852295.3、201910156766.1等，这些专利均利用陶瓷前驱体(即一种高分子聚合物)的高弹性特点实现增材制造过程中前驱体的变形效果，但烧结后的陶瓷件本身并不具备变形功能。实际上，陶瓷材料固有的高强、高硬和高脆性特点使其很难具备大尺度变形能力；因此，陶瓷材料的4D打印技术不应习惯性地照搬高分子和金属材料的变形效果，更应关注陶瓷材料本身的变性能、变功能特点。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种超声响应的4D打印多孔陶瓷件及其制备方法，其基于压电陶瓷的压电效应原理，采用增材制造工艺制备出具有不同孔结构特征(孔径类型、孔径尺寸、孔隙率、连通率等)的压电性多孔陶瓷，采用超声手段提供机械刺激以使得多孔陶瓷发生形变而产生内源性电场，通过调控不同孔结构特征的超声载荷来实现可控的电信号输出，即通过材料和结构设计实现了性能、功能可控变化的陶瓷4D打印。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种4D打印多孔陶瓷件的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

以光固化材料为原料，采用4D打印技术制得多孔陶瓷件；其中，所述光固化材料的组成原料包括压电陶瓷粉体；所述多孔陶瓷件为具备不同孔结构特征的多孔结构，通过超声手段机械刺激所述多孔陶瓷件来使其发生形变而产生内源性电场。

进一步地，通过调控超声载荷来控制所述多孔陶瓷的电信号输出。

进一步地，所述压电陶瓷粉体为单相陶瓷粉体或者多相均匀混合的陶瓷粉体。

进一步地，所述光固化材料为浆料，其包括以下份数的组分：35～65份的压电陶瓷粉体、40～65份的光固化树脂、0.5～2份的光引发剂及0.5～5份的分散剂。

进一步地，所述压电陶瓷粉体为氧化锌、氮化硼、钛酸钡、锆钛酸钡、锆钛酸钡钙、偏铌酸钾钠、偏铌酸钾钡中的一种或多种。

进一步地，所述孔结构的孔隙率为30～90％，孔径尺寸为200μm～700μm，孔连通率为20～95％。

进一步地，所述多孔陶瓷件还需进行极化处理。

进一步地，采用的极化直流电压为2000V/m～5000V/m，极化时间为5min～30min，极化温度为20℃～110℃。