供稿人：武向權(quán)，連芩 發(fā)布日期：2017-03-27
美國南加州大學生物醫(yī)學工程學院和Daniel J.Epstein工業(yè)系統(tǒng)工程學院合作開發(fā)了鈦酸鋇（BaTiO3）壓電陶瓷超聲換能器元件。
陶瓷的硬脆特點，難以通過傳統(tǒng)加工技術(shù)制造形狀復雜的結(jié)構(gòu)件，而增材制造卻為其開辟了新的途徑。壓電陶瓷是一種可以將應(yīng)力轉(zhuǎn)換成電荷的材料，可以用于制造超聲成像設(shè)備中的關(guān)鍵部件超聲換能器。美國南加州大學和Daniel J.Epstein工業(yè)系統(tǒng)工程學院的研究人員，利用光固化成形原理制造出鈦酸鋇陶瓷換能器。他們首先對顆粒直徑為100nm 鈦酸鋇陶瓷進行表面處理（經(jīng)過表面處理后，陶瓷顆粒更易與樹脂均勻混合），然后將顆粒與光固化樹脂混合均勻制備成陶瓷漿料。利用面曝光光固化原型（MIP-SL）設(shè)備，以圖1所示的加工過程，逐層加工出鈦酸鋇陶瓷換能器元件素坯。
圖1 鈦酸鋇陶瓷換能器元件素坯的面曝光光固化原型加工過程
（a）MIP-SL系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；（b）投影機投出的掩膜圖形；
（c）換能器三維模型；（d）控制軟件界面；（e）制造出的換能器元件
對制造完成后的素坯再進行脫脂和燒結(jié)處理后，獲得最終的零件。脫脂處理將陶瓷素坯中的有機物去除，燒結(jié)處理將使陶瓷素坯致密化。研究人員將素坯首先放在氬氣保護氣氛中，600攝氏度下維持3小時進行脫脂處理。之后，將脫脂件放入普通馬弗爐，1330攝氏度維持4-6小時進行燒結(jié)處理。燒結(jié)過程中，陶瓷件內(nèi)部顆粒粘接、晶體尺寸增加、孔隙減小。最終獲得的陶瓷超聲換能器元件，其致密度為93.7%，密度為5.64g/cm3。研究人員利用該打印超聲換能器，以6.28 MHz超聲掃描，獲得了豬眼的超聲結(jié)構(gòu)圖像，如圖2所示。
圖2 通過打印的換能器對豬眼進行6.28-MHz超聲掃描
圖3 超聲掃描圖片