壓電器件是現代醫療診斷、工業無損檢測和智能傳感系統的“心臟”，其中關鍵壓電材料的高性能化與復雜結構成形能力對于實際應用都至關重要。傳統制備方法存在局限，3D打印技術具備成型速度快、設計靈活度高等優勢。然而3D打印壓電陶瓷面臨致密化困難、電學性能偏低等問題，很難滿足實際的工程應用需求。

針對上述問題，西安交通大學蔣莊德院士團隊與西安電子科技大學楊銀堂教授團隊提出了基于3D打印技術的“壓電材料-復雜結構-器件應用”全鏈條設計策略（圖1），成功利用數字光處理技術（DLP）制造了高性能Sm摻雜PMN-PT（Sm-PMN-PT）壓電陶瓷，實現了復雜幾何結構成形，并在超聲換能器應用上凸顯了優勢。

圖1 3D打印壓電陶瓷與換能器設計策略

針對打印固化難題，研究團隊系統研究了粉體粒徑對光散射和固化深度的影響。將粉體粒徑從傳統工藝常用的0.6 μm優化至1.0 ~ 1.5 μm，可顯著降低光散射，大幅提升固化深度和打印質量。有效避免了打印件的分層與開裂，并成功制備出傳統工藝難以實現的8陣元超聲換能器環形陣列等復雜/異形結構壓電陶瓷。

研究團隊對粉體粒徑和燒結工藝進行了系統優化。采用平均粒徑為1.0 μm的粉體，在1235 ℃下燒結制備的3D打印Sm-PMN-PT陶瓷展現出較高的壓電性能，其壓電系數d₃₃高達1285 pC/N。

理論的突破已落地于實際應用。研究團隊成功制造出結構復雜的8陣元環形陣列超聲換能器。性能測試表明，該換能器具有高達 60%的－6dB帶寬（BW）和952 mV的脈沖回波峰峰值（Vp-p），綜合性能優于其他3D打印換能器。在成像實驗中，該環陣換能器通過動態聚焦，將成像分辨率提升了10% ~ 55%，清晰地呈現了線靶和標準無損檢測（NDT）試塊的精細結構，充分證明了3D打印復雜結構壓電陣元在提升器件性能方面的巨大潛力。

(a) 3D打印的8環陣列換能器  (b,c) 器件表現出優異的脈沖回波響應和帶寬(e-h) 在線靶和NDT試塊成像中，環陣列展現出比單陣元更高的分辨率

該研究成果近日以“3D Printing High-Performance Piezoelectric Ceramic with Complex Structure for Ultrasonic Array Transducer”在國際知名期刊《先進材料》（Advanced Materials）上發表。

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