3D打印高频超声换能器中的关键科学问题研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    51675278
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    62.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    E0512.微纳机械系统
  • 结题年份:
    2020
  • 批准年份:
    2016
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2017-01-01 至2020-12-31

项目摘要

The increasing demands for miniature, complex, and high-performance high-frequency transducer arrays have imposed huge challenges on traditional 'subtractive manufacturing’, including mechanical dicing, micromachining etc. Microstereolithography, an additive manufacturing approach, has simple system requirements, fast printing speed and low cost, and can realize precise, complex structures without additional machining steps. It is a promising technique to fabricate high-frequency transducers. However, it is primarily limited to printing piezoelectric elements of transducers..The objectives of this research aim to 1) make individualized composite slurries for transducer components; 2) develop processing procedures for DMD based microstereolithography manufacturing of transducer arrays' piezo-elements, electrical interconnection, matching layers, and backing layers; 3) and eventually realize the process-reliable manufacture of high-frequency transducer arrays. The significance and innovation highlights of the study include 1) making composite slurries using thick film hybrid circuits technology for reference, 2) employing a novel bottom-up DMD projection setup, 3) building a mathematical prediction model for microstereolithography manufacturing of ceramics. Technical barriers preventing the implementation of all-printed high-frequency piezoelectric ultrasonic transducers, which include multi-material printing, high printing resolution, and the need of sintering, were broken through thereafter.
现代高频超声领域需求微型、 结构复杂 、性能优越的新型换能器,这给传统的机械切割、微加工等减法制造带来新的技术挑战。微立体光刻成型增材制造技术系统简单、制造速度快、成本低,可实现高精度复杂结构器件,且成型器件结构完整,契合高频超声换能器制备的需求。.本课题志于突破目前微立体光刻成型技术局限于打印压电陶瓷阵元局面,拟以高频压电超声换能器为研究对象,制备适用换能器各部件打印浆料;发展新颖数字微镜投射技术,探索微型压电陶瓷换能器压电阵元、电极连接 、匹配层、 背衬层的微立体光刻成型技术及后处理工艺;最终实现高频压电换能器的可控打印制备。 关键科学问题和创新点包括 1)提出借鉴厚膜混合电路技术制备换能器部件浆料,2)采用创新的自下而上的DMD投射装置 ,3)建立微立体光刻成型陶瓷部件预测模型;从而解决了全打印高频压电超声换能器面临的多材料打印、打印精度要求高、器件需高温烧结处理等关键技术难题。

结项摘要

现代高频超声领域需求微型、结构复杂、性能优越的新型换能器,这给传统的加工制造带来很多技术挑战。以微立体光刻成型技术为代表的增材制造技术系统简单、制造速度快、成本低,可实现高精度复杂结构器件,且成型器件结构完整,契合高频超声换能器制备的需求。本课题志于突破目前微立体光刻成型技术局限于打印压电陶瓷阵元局限,取得了如下的研究成果:.(1)制备适用于超声换能器的光固化浆料,着重探索微型压电陶瓷换能器阵元的微立体光刻成型技术及后处理工艺,克服打印压电陶瓷需要高浓度的浆料与高浓度瓷浆料黏稠性高、散射强影响固化成型之间的矛盾,和打印精度要求高与器件固化成型皱缩变形、热处理变形之间的矛盾,实现尺寸精细、形状复杂、性能优异的PZT和KNN压电陶瓷的可控制备;.(2)研究了基于超材料的声学梯度折射率器件,包括声波导和声透镜。在声波导的研究过程中开发三维拟共形变换优化算法,成功得到了真实空间与虚拟空间之间材料参数的映射关系,结合3D打印技术制作声波导实物。实验表明所设计的波导能够维持声波的传输模态,进一步设计了基于声学超材料的水声伦伯透镜。以微结构作为基本单元,通过调整单元的尺寸以实现梯度变化的声学参数,仿真和实验结果证明了它广视角、无像差的特性。.(3)将贝叶斯统计建模和逆向设计方法用于陶瓷的形变预测和补偿研究,使用三维扫描仪配合Geomagic后处理软件获取打印件的三维轮廓,结合MATLAB编程,实现形变的快速测量、反馈、和逆向设计补偿。形变补偿后,圆柱状陶瓷的尺寸精度可以提高80%,正棱柱状陶瓷的尺寸精度可以提高70%。采用新的切片函数,对形变预测模型进行优化,缓解正多边形截面的圆角化现象。

项目成果

期刊论文数量(16)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(6)
专利数量(3)
Effects of A-site ionic size on the phase transition behavior of lead-free niobate ceramics
A位离子尺寸对无铅铌酸盐陶瓷相变行为的影响
  • DOI:
    10.1016/j.ceramint.2019.07.005
  • 发表时间:
    2019-11
  • 期刊:
    Ceramics International
  • 影响因子:
    5.2
  • 作者:
    Yan Kang;Wang Fangfang;Chen Xinglong;Wu Dawei;Zhu Kongjun
  • 通讯作者:
    Zhu Kongjun
Active control of sound waves via three-dimensional quasi-conformal mapping
通过三维准共形映射主动控制声波
  • DOI:
    10.35848/1882-0786/ab67d4
  • 发表时间:
    2020-01
  • 期刊:
    Applied Physics Express
  • 影响因子:
    2.3
  • 作者:
    Yu Run;Li Xiaoniu;Wang Kangyu;Lu Chunyao;Zhu Chunling;Wu Dawei
  • 通讯作者:
    Wu Dawei
微立体光刻压电陶瓷的形变预测与补偿研究
  • DOI:
    10.14106/j.cnki.1001-2028.2019.04.012
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    电子元件与材料
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    张园豪;陈韦岑;吴大伟
  • 通讯作者:
    吴大伟
Modeling, analysis and suppression of current harmonics of Langevin-type ultrasonic motors under high voltage
Langevin型超声波电机高压下电流谐波建模、分析与抑制
  • DOI:
    10.1016/j.precisioneng.2020.04.009
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    Precision Engineering
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Li Xiaoniu;Yao Zhiyuan;Mi Yuan;Lin Xiaogang;Liang Chenguang;Wu Dawei
  • 通讯作者:
    Wu Dawei
3D printing and dynamic modeling of a polymer-based bimodal piezoelectric motor
基于聚合物的双峰压电电机的 3D 打印和动态建模
  • DOI:
    10.1088/1361-665x/abccdb
  • 发表时间:
    2021-02-01
  • 期刊:
    SMART MATERIALS AND STRUCTURES
  • 影响因子:
    4.1
  • 作者:
    Li, Xiaoniu;Yu, De;Wu, Dawei
  • 通讯作者:
    Wu, Dawei

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其他文献

单相驻波驱动的旋转型超声电机结构设计与试验研究
  • DOI:
    10.3901/jme.2022.07.227
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
    机械工程学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    王瑞锋;王亮;贾博韬;金家楣;张泉;吴大伟
  • 通讯作者:
    吴大伟
长期戒断甲基苯丙胺依赖者大脑微观结构的影像学改变
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    中南大学学报(医学版)
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    樊丽丹;张清清;梁胜祥;李华兵;贺忠;孙建宁;司徒卫军;张志学;吴大伟;张子曙;寇志峰;张军;刘军
  • 通讯作者:
    刘军
电网雷电大数据采集系统研发
  • DOI:
    10.13296/j.1001-1609.hva.2019.04.023
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    高压电器
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    朱晔;姜志博;田浩;陶汉涛;吴大伟;张磊;何君
  • 通讯作者:
    何君
焦家金矿巷道围岩松动圈测试与破碎岩体支护技术
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    金属矿山
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    张忠辉;安龙;吴大伟;吴超
  • 通讯作者:
    吴超
丫他金矿床流体来源及演化:流体包裹体和稳定同位素证据
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    矿物岩石地球化学通报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    董晓燕;李葆华;肖徳长;傅太宇;许龙;吴大伟
  • 通讯作者:
    吴大伟

其他文献

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吴大伟的其他基金

压电驱动的空间碎片清除机器人研究
  • 批准号:
  • 批准年份:
    2020
  • 资助金额:
    58 万元
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相似国自然基金

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AI项目解读示例

课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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