[发明专利]一种基于磁场辅助3D打印技术制备磁电复合材料的方法

说明书

本发明属于压电材料制备与加工技术领域，具体涉及一种基于磁场辅助3D打印技术制备具有磁电耦合性能的磁电复合材料的方法，并进一步公开其制备的磁电复合材料。本发明所述磁电复合材料的制备方法，基于3D打印技术将压电聚合物和磁性纳米颗粒的打印液进行逐层沉积以构建三维结构，并通过在3D打印的同时施加磁场进行取向干预，使其中的磁性纳米颗粒可以沿磁场方向择优取向和规则排列来实现提高材料的磁致伸缩性能，将材料制备和磁场取向同时完成，经一步处理即可得到具有磁电耦合性能的压电复合材料；有效提高了工作效率，具有能耗低、成本低的优势，适用范围广。

技术领域

本发明属于压电材料制备与加工技术领域，具体涉及一种基于磁场辅助3D打印技术制备具有磁电耦合性能的磁电复合材料的方法，并进一步公开其制备的磁电复合材料。

背景技术

磁电效应是指材料通过铁电相和铁磁相之间的偶合作用在磁场或电场作用下电极化或磁化的现象，是当下研究及关注的热点。通过磁电效应制备得到的磁电材料能实现磁场与电场之间的转换，是一种重要的功能材料，例如，将有机材料和无机材料结合起来可以制备出的柔韧性好，易于加工的磁电复合材料，这种材料多被应用于制造微型器件。与传统的介电材料或磁性材料相比，磁电复合材料具有能量转换效率高、测量精确、制造成本低、集成度高等优点，这种高性能电磁功能器件具有广阔的应用前景，目前在信息存储、磁场探测、集成电路以及磁电能量转换等领域被广泛应用。

目前，磁电复合材料的加工制备通常需要使用具有压电性能的铁电材料与磁致伸缩材料复合得到，并在外加磁场作用下利用磁电耦合性能获得可调表面电势。进一步的，可以采用浇铸或旋涂成型法制备磁电薄膜，并通过电极化使薄膜产生表面电势，进而使薄膜获得磁电耦合性能。但是，通过上述传统工艺制备该结构的磁电复合材料需要进行切割以及较大的极化电压，目前为止，传统的制备磁电材料的方法仍有待改进，因而未得到广泛应用。因此，开发一种高效、低能耗的制备具有磁电效应的压电材料的方法，具有积极的意义。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于磁场辅助3D打印技术制备具有磁电耦合性能的磁电复合材料的方法，在打印过程中，运用电磁驱动力使材料中磁性粒子发生运动，得到具有磁电效应的复合材料，所述方法具有效率高、能耗低、成本低、适用范围广的优势；

本发明所要解决的第二个技术问题在于提供上述方法制备的具有磁电耦合性能的磁电复合材料。

为解决上述技术问题，本发明所述的一种基于磁场辅助3D打印技术制备磁电复合材料的方法，包括如下步骤：

(1)取磁性纳米颗粒分散于有机溶剂中，并加入压电聚合物材料，充分混合得到聚合物打印液，备用；

(2)创建三维结构数字模型并进行切片处理，设置合适的打印路径及打印程序；

(3)将步骤(1)制备的所述聚合物打印液转移至针筒中，在设计程序控制下进行连续逐层沉积，并在3D打印的同时施加磁场，使所述磁性颗粒沿磁场方向进行取向，构建得到所需具有磁电耦合性能的磁电复合材料。

具体的，所述步骤(1)中，所述压电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))中的至少一种。

具体的，所述步骤(1)中，所述磁性纳米颗粒包括Terfenol-D、Fe₃O₄、CuFe₂O₄、NiFe₂O₄、CoFe₂O₄中的至少一种。

具体的，所述磁性纳米颗粒的平均直径为10-100nm。

具体的，所述步骤(1)中，所述有机溶剂包括N,N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮或二甲基亚砜中的至少一种。