(3D)打印作为一种新兴的增材制造技术,促进了多功能且复杂结构原型的制造,在航空航天、组织工程、珠宝和柔性电子等学科领域展现了巨大的前景。由磁性粒子和可打印聚合物组成的3D打印磁性结构,因在可控机械手、可变形软体机器人等方面拥有巨大潜力,引起了人们的广泛关注。这种结构驱动形状改变的力会导致磁场分布发生变化,表明这种结构具有将机械能转化为电能的能力。
华中科技大学苏彬研究团队在中国工程院院刊《Engineering》2022年8月刊发表了题目为《可自供能感知液滴撞击的3D打印超疏水磁性器件》的研究性文章,通过整合两种3D打印方法,制造了一种具有柔性超疏水和磁性的器件。文章指出,3D打印磁性器件(3DMD)在连续滴水时,表现出具有长期稳定的力电转换能力,输出电流比现有文献记录的输出电流高。结合麦克斯韦数值仿真,文章研究了3DMD的力电转换机理,进而指导了各种参数的调控。此外,文章通过连续的雨水收集,三个集成的3DMD点亮了一个商用发光二极管(LED)。文章表明,这种结合了能量转换的组合型设计有望推动3D打印领域的发展。
文章中的3DMD结构是通过商业3ds Max软件设计的。采用熔融沉积建模(FDM)3D打印技术,制造了不同厚度(1~3 mm)和凸起尺寸(半径为1.0 mm或1.5 mm)的多个磁性顶部。顶部的磁性颗粒通过磁化器在1900 V以上的高压下产生的脉冲磁场进行垂直磁化。10%(质量分数)疏水性二氧化硅纳米颗粒经过超声处理后分散在乙醇中,然后将二氧化硅基溶液喷洒到3D打印的磁性顶部进行疏水处理。Agilus30光聚合物用于通过Polyjet 3D打印技术制造弹性杆,弹性杆长度为2~8 mm。最后通过简单组装三个组件,即磁性顶部、弹性杆状底部和导电铜线圈来完成3DMD的制造。
文章通过采用3D打印制造了一个柔性的超疏水和磁性系统,用于自供能感知下落的水滴。3DMD的两个部分,即磁性顶部和弹性杆底部分别通过FDM和Polyjet技术制备。由于具有超疏水表面,3DMD在连续滴水的情况下表现出长期稳定的力电转换能力。这主要归因于有效降低的固/液黏附性,确保了磁性和电气元件之间可靠的距离变化,进而实现发电。文章为雨滴的灵活力电转换策略提供了一种新方法,并且可推广到未来的振动监测中。
以上内容来自:Xuan Zhang, Qi Wang, Ruiping Zou, Bo Song, Chunze Yan, Yusheng Shi, Bin Su. 3D-Printed Superhydrophobic and Magnetic Device That Can Self-Powered Sense A Tiny Droplet Impact [J]. Engineering, 2022, 15(8): 197-206.
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