高性能智能材料与多功能器件的三维（3D）打印能力，通过通用制造平台无缝集成，有望推动软机器人、可穿戴电子设备和人机界面领域的技术突破。其中，压电材料是最重要的智能材料之一，因其具有传感和执行的双重能力，这对于创建智能响应系统至关重要。

近日，美国明尼苏达大学的研究人员开发了一种直写式打印（DIW）3D打印方法，利用溶液法制备的PVDF-TrFE作为功能墨水，用于制造柔性可穿戴压电器件。通过铁电与驱动特性测试指导了电极化条件的系统优化，最终制得高性能3D打印PVDF-TrFE传感器，其d₃₁系数达12.70±0.71 pC/N。然后，本研究成功制备了三种概念验证智能压电器件，并且所有器件均通过全3D打印实现：（1）用于交互式游戏的基于触控的可穿戴人机界面；（2）具备触觉感知功能的“电子皮肤”；（3）集成压电传感器和量子点发光二极管（QLED）的多功能混合电子系统。这项工作全面展示了3D打印技术在高性能材料和器件制备、可穿戴压电传感器制造以及混合电子系统无缝多功能集成方面的巨大潜力。相关研究成果以“3D Printed Flexible Piezoelectric Sensors for Integrated Hybrid Electronics”为题发表在Small期刊上。

压电聚合物的3D打印

在这项研究工作中，PVDF-TrFE被选为压电活性材料，而不是其母体聚合物PVDF，充分利用了其天然的高β相结晶度。这消除了电极化过程中机械拉伸和热处理的需要，使其非常适合直写式打印（DIW）3D打印。

通过系统的实验，研究人员优化了打印参数和电极化条件，以最大限度地提高3D打印器件的压电响应。这项工作的一个关键发现是材料的固有矫顽场与有效诱导压电所需的电极化场之间存在很强的相关性。通过施加150 MV/m的高电场，这是PVDF-TrFE测量矫顽场（约58 MV/m）的两倍多，在极化持续时间短至5秒的情况下显著提高了压电性能。

3D打印压电聚合物的表征

研究人员还根据驱动和传感模式测量的数据估计了PVDF-TrFE器件的压电系数d₃₁。研究发现，通过这两种不同方法的表征结果获得的压电系数具有高度一致性，表明了所采用实验方法的鲁棒性和可靠性。利用DMA（动态力学分析）测量的数据，研究人员能够提取3D打印的独立PVDF-TrFE换能器的能量收集能力。

3D打印压电传感器的电极化条件优化和表征

为了展示这种3D打印压电传感器的潜在应用，研究人员提出了三个针对下一代可穿戴触觉传感系统和柔性混合电子器件的概念验证示例。在第一个应用中，嵌入3D打印压电传感器的一次性橡胶手套被用作2D跳跃游戏的交互式游戏界面，实现了高精度的人机交互。在第二个应用中，一个类似的手套嵌入了五个3D打印触觉传感器，用于检测外部触摸刺激，展示了可扩展、灵活且反应灵敏的电子皮肤的应用潜力。最后，开发了一种集成压电传感器和量子点发光二极管的全3D打印多功能混合器件，这突显了基于直写式打印（DIW）的3D打印作为多材料集成和制造尖端柔性智能设备的强大技术的多功能性。

3D打印可穿戴触觉传感器

3D打印多功能混合电子器件

总之，本研究通过基于直写式打印的PVDF-TrFE 3D打印技术，结合优化的电极化，成功制备出高性能的有机压电传感器。压电功能层直接在柔性基底上打印并进行电学处理，无需额外转移步骤。这种简化的工艺流程实现了共形贴合的传感器制造，其表现出优异的压电响应，并通过正向与逆向测量得到验证。这些3D打印的柔性压电传感器被集成到可穿戴传感系统中，包括用于人机交互的虚拟现实（VR）手套和用于实时触觉反馈的电子皮肤。此外，通过在单一基底上共同制造PVDF-TrFE传感器和QLED阵列，进一步证明了该方法在多功能器件集成方面的潜力。