可共形无损检测的压电陶瓷换能器：基于直接墨水书写的高性能增材制造新策略

《Advanced Composites and Hybrid Materials》：Versatile additive manufacturing of piezoelectric ceramic transducers for conformal nondestructive testing

压电器件领域长期面临陶瓷材料性能优但难成型、聚合物易成型但输出不足的困境。本研究采用直接墨水书写（DIW）技术，以Sm-PMN-PT粉末为原料，通过三维打印和完全烧结工艺，成功制备出高性能、可共形设计的压电陶瓷换能器。其压电性能优异，品质因数（FOM）达17.29×10–12m2/N，并成功集成于超声换能器用于无损检测，显著提升了曲面贴合度与缺陷信号清晰度。这项研究为发展先进的超声波检测技术提供了可行的高性能、几何适应性强器件制造方案。

　　

在工业检测、医疗成像和结构健康监测等领域，能够将机械能与电能相互转换的压电材料扮演着关键角色。其中，陶瓷基压电材料以其优异的压电性能而备受青睐，但它们通常有一个“阿喀琉斯之踵”：难以加工成复杂的形状。传统的制造方法在面对三维曲面、内部空腔或精细网格结构时常常束手无策。另一方面，聚合物基压电材料虽然易于成型，但其压电输出功率往往不尽如人意，难以满足高性能应用的需求。这种“鱼与熊掌不可兼得”的局面，限制了压电器件在需要与复杂曲面共形贴合、或实现特定声场调控的先进应用（如曲面结构的无损检测）中的发展。为了打破这一困局，研究人员将目光投向了赋予设计自由的三维（3D）打印技术，并思考：能否利用3D打印直接制造出既保持陶瓷优异性能，又拥有复杂几何形态的压电功能部件？

这项发表在《Advanced Composites and Hybrid Materials》上的工作，正是对这一挑战的回应。研究团队致力于开发一种通用的增材制造策略，用于制备高性能、可共形设计的压电陶瓷换能器。他们核心思路是结合直接墨水书写（DIW）这一3D打印技术的成型自由度，与功能陶瓷材料（Sm-PMN-PT）的优异本征性能，通过后续的完全烧结工艺，摆脱了对残留基体材料的依赖，从而直接获得高性能的纯陶瓷功能结构。研究的目标是验证通过该方法制造的器件不仅具有卓越的压电特性，更能无缝集成到实际应用中，例如超声无损检测，以展示其解决实际工程问题的潜力。

为开展研究，研究人员主要采用了以下几个关键技术方法：首先，研究以钐（Sm）掺杂的铌镁锆钛酸铅（Sm-doped Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃, Sm-PMN-PT）粉末为功能材料，制备适用于直接墨水书写（DIW）的陶瓷浆料。其次，利用DIW技术进行三维打印，自由成形出所需的压电陶瓷生坯结构。之后，对打印成形的生坯进行完全烧结处理，以获得致密化的纯陶瓷压电元件，此过程消除了对支撑基体材料的依赖。最后，将烧结后的压电元件与必要的电极和背衬材料集成，装配成可用于测试的超声换能器原型。

研究结果部分的主要发现如下：

1. 材料制备与打印性

研究人员成功配制了适合DIW打印的、基于Sm-PMN-PT陶瓷粉末的浆料。该浆料具有良好的流变特性，能够通过微喷嘴连续挤出并保持形状稳定性，从而实现了复杂三维结构的精确打印，例如网格结构和曲面共形阵列。

2. 烧结与微观结构

打印后的生坯结构经过高温烧结过程后，实现了完全致密化，形成了纯陶瓷相。显微结构分析表明，烧结后的陶瓷晶粒发育良好且分布均匀，没有明显的孔隙或缺陷，这为器件获得高压电性能提供了结构基础。

3. 压电与介电性能

对烧结后的陶瓷样品进行的性能测试表明，其保持了优异的压电特性。关键的性能指标——压电电压常数g₃₃与压电应变常数d₃₃的乘积，即品质因数（Figure of Merit, FOM）达到了17.29 × 10^–12m²/N。这一数值在已报道的DIW打印压电陶瓷中位居前列，证明了该制造策略在保持材料本征高性能方面的有效性。

4. 器件集成与功能验证

为了验证实际应用能力，研究人员将打印并烧结成型的压电陶瓷元件集成为超声换能器。4.1 共形设计与耦合测试：针对曲面结构设计的共形换能器展现了与目标曲面优异的贴合与耦合效果，能够有效激励和接收超声波。4.2 导波激发与缺陷检测：将该换能器应用于无损检测实验，其能够激发出具对称性的导波模式。相比于传统平面换能器，其共形设计改善了与曲面的能量传递，从而在检测缺陷时获得了更清晰、更易识别的信号，显著提升了缺陷检测的信噪比和分辨率。

结论与讨论

本研究成功展示了一种基于直接墨水书写（DIW）和完全烧结工艺的压电陶瓷增材制造策略。该策略有效地调和了“高性能”与“复杂成型”之间的矛盾：一方面，通过使用Sm-PMN-PT这类高性能陶瓷材料，确保了最终器件的压电输出；另一方面，借助DIW技术实现了传统方法难以加工的复杂几何结构（如共形曲面阵列）的柔性制造。完全烧结步骤彻底消除了聚合物基体，避免了其对压电性能的劣化，使得器件性能直接源自陶瓷材料本身。

这项工作的重要意义在于，它不仅仅是一项工艺展示，更提供了一条通往高性能、定制化压电器件的可行技术路径。所制造的换能器在无损检测中展现出的优越耦合能力和缺陷检测灵敏度，直接印证了其解决实际工程问题的价值。这种方法学的突破，使得为特定曲面结构“量身定制”高性能超声检测探头成为可能，极大地促进了先进超声波检测技术的发展，并在航空航天、汽车制造、能源设施等领域的复杂结构健康监测中具有广阔的应用前景。该研究为功能陶瓷的增材制造及其在智能传感与驱动领域的应用开辟了新的方向。