供稿人：馬偉剛、連芩 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2024-03-13
超聲換能器的性能在很大程度上取決于其活性元件的壓電特性和幾何形狀。由于壓電陶瓷的脆性，現(xiàn)有的壓電元件加工工具只能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的幾何形狀，包括扁平的圓盤、圓柱體、立方體和圓環(huán)。雖然3D打印技術(shù)的進(jìn)步促進(jìn)了壓電陶瓷的自由成型制造，但由此產(chǎn)生的換能器存在高孔隙率、弱壓電響應(yīng)和有限的幾何柔韌性的問題。
美國加州大學(xué)伯克利分校材料科學(xué)與工程系的研究人員提出了一種基于SLA的增材制造方法，該方法優(yōu)化了燒結(jié)工藝，可用于打印高度致密的鋯鈦酸鉛(PZT)壓電元件和具有微尺度特征和高壓電響應(yīng)的壓電超聲換能器。
圖1 微型超聲換能器的設(shè)計(jì)、3D打印高固相PZT復(fù)合材料及其液相燒結(jié)示意圖
該工藝從高分辨率投影微立體光刻(PμSL)出發(fā)，結(jié)合流延成型重涂工藝，以確保準(zhǔn)確控制綠色部件的特征。受液相燒結(jié)(LPS)的啟發(fā)，在燒結(jié)過程中加入液相燒結(jié)添加劑硝酸鉛(Pb(NO3)2)以促進(jìn)晶粒生長并改善陶瓷的燒結(jié)性能，并實(shí)施了一種液體密封方法來抑制鉛在高溫下的揮發(fā)，從而減少了燒結(jié)元件的孔隙率和鉛的損失，如圖1所示。制備的PZT陶瓷的壓電系數(shù)d33高達(dá)583 pC/N，相當(dāng)于原始材料的92.5%，優(yōu)于目前可打印的壓電材料。
此外，研究人員還開發(fā)了可打印的包裝材料托盤，其中包括襯底層，阻抗匹配層和具有大范圍可定制阻抗和衰減系數(shù)的物理外殼，以確保針對(duì)目標(biāo)應(yīng)用的最佳目標(biāo)性能。為了演示該研究的方法的可應(yīng)用性，研究人員打印了一個(gè)具有微尺度聚焦功能的小型化超聲換能器，它能夠在直徑低至2.5 mm的血管中產(chǎn)生高和局部聲壓，從而實(shí)現(xiàn)局部空化觸發(fā)，增強(qiáng)藥物輸送，以及超聲調(diào)節(jié)細(xì)胞活動(dòng)，如圖2所示。
圖2 微型化超聲換能器誘導(dǎo)血管幻影局部空化示意圖
這項(xiàng)研究成功利用3D打印技術(shù)制備出了具有高壓電性能及復(fù)雜結(jié)構(gòu)的PZT壓電元件，制備的微型換能器能夠在毫米尺寸的通道內(nèi)進(jìn)行聲聚焦和局部空化，極大的拓展了超聲換能器在生物醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用。