[發明專利]一種基于磁場輔助3D打印技術制備磁電復合材料的方法

有效

• 申請號: 202011070742.3
• 申請日: 2020-10-09
• 公開（公告）號: CN112373014B
• 公開（公告）日: 2022-07-22
• 發明（設計）人: 魏相霞;劉萌萌;萬紫萌;李澳;杜德琪;王玉振;張繼光
• 申請（專利權）人: 青島大學
• 主分類號: B29C64/165
• 分類號: B29C64/165;B29C64/30;B33Y10/00;B33Y40/00;B33Y70/10
• 代理公司: 北京力致專利代理事務所(特殊普通合伙) 11900
• 代理人: 周厚民

本發明屬于壓電材料制備與加工技術領域，具體涉及一種基于磁場輔助3D打印技術制備具有磁電耦合性能的磁電復合材料的方法，并進一步公開其制備的磁電復合材料。本發明所述磁電復合材料的制備方法，基于3D打印技術將壓電聚合物和磁性納米顆粒的打印液進行逐層沉積以構建三維結構，并通過在3D打印的同時施加磁場進行取向干預，使其中的磁性納米顆粒可以沿磁場方向擇優取向和規則排列來實現提高材料的磁致伸縮性能，將材料制備和磁場取向同時完成，經一步處理即可得到具有磁電耦合性能的壓電復合材料；有效提高了工作效率，具有能耗低、成本低的優勢，適用范圍廣。

技術領域

本發明屬于壓電材料制備與加工技術領域，具體涉及一種基于磁場輔助3D打印技術制備具有磁電耦合性能的磁電復合材料的方法，并進一步公開其制備的磁電復合材料。

背景技術

磁電效應是指材料通過鐵電相和鐵磁相之間的偶合作用在磁場或電場作用下電極化或磁化的現象，是當下研究及關注的熱點。通過磁電效應制備得到的磁電材料能實現磁場與電場之間的轉換，是一種重要的功能材料，例如，將有機材料和無機材料結合起來可以制備出的柔韌性好，易于加工的磁電復合材料，這種材料多被應用于制造微型器件。與傳統的介電材料或磁性材料相比，磁電復合材料具有能量轉換效率高、測量精確、制造成本低、集成度高等優點，這種高性能電磁功能器件具有廣闊的應用前景，目前在信息存儲、磁場探測、集成電路以及磁電能量轉換等領域被廣泛應用。

目前，磁電復合材料的加工制備通常需要使用具有壓電性能的鐵電材料與磁致伸縮材料復合得到，并在外加磁場作用下利用磁電耦合性能獲得可調表面電勢。進一步的，可以采用澆鑄或旋涂成型法制備磁電薄膜，并通過電極化使薄膜產生表面電勢，進而使薄膜獲得磁電耦合性能。但是，通過上述傳統工藝制備該結構的磁電復合材料需要進行切割以及較大的極化電壓，目前為止，傳統的制備磁電材料的方法仍有待改進，因而未得到廣泛應用。因此，開發一種高效、低能耗的制備具有磁電效應的壓電材料的方法，具有積極的意義。

發明內容

為此，本發明所要解決的技術問題在于提供一種基于磁場輔助3D打印技術制備具有磁電耦合性能的磁電復合材料的方法，在打印過程中，運用電磁驅動力使材料中磁性粒子發生運動，得到具有磁電效應的復合材料，所述方法具有效率高、能耗低、成本低、適用范圍廣的優勢；

本發明所要解決的第二個技術問題在于提供上述方法制備的具有磁電耦合性能的磁電復合材料。

為解決上述技術問題，本發明所述的一種基于磁場輔助3D打印技術制備磁電復合材料的方法，包括如下步驟：

(1)取磁性納米顆粒分散于有機溶劑中，并加入壓電聚合物材料，充分混合得到聚合物打印液，備用；

(2)創建三維結構數字模型并進行切片處理，設置合適的打印路徑及打印程序；

(3)將步驟(1)制備的所述聚合物打印液轉移至針筒中，在設計程序控制下進行連續逐層沉積，并在3D打印的同時施加磁場，使所述磁性顆粒沿磁場方向進行取向，構建得到所需具有磁電耦合性能的磁電復合材料。

具體的，所述步驟(1)中，所述壓電聚合物材料包括聚偏氟乙烯(PVDF)、聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(P(VDF-HFP))或聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物(P(VDF-TrFE))中的至少一種。

具體的，所述步驟(1)中，所述磁性納米顆粒包括Terfenol-D、Fe₃O₄、CuFe₂O₄、NiFe₂O₄、CoFe₂O₄中的至少一種。

具體的，所述磁性納米顆粒的平均直徑為10-100nm。

具體的，所述步驟(1)中，所述有機溶劑包括N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮或二甲基亞砜中的至少一種。