精密位移平台 磁 - 电耦合复合材料、多自由度精密位移平台等先进制造项目推荐

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本期推荐北京大学工学院先进制造专家董树祥教授领衔的五项技术成果。感兴趣的商务朋友可以查看文末联系方式进行咨询对接。

董淑香，教授，博士生导师，北京大学工学院。2008年5月从美国弗吉尼亚理工大学回国，加入北京大学工学院材料科学与工程系。受聘为北京大学特聘研究员、教授、终身教授。

董教授长期从事压电、铁电、磁电等功能材料和器件的研究，以及近期在3D打印和柔性电子、压电超材料、纳米压电马达等方面的研究。

董教授在国际主要权威期刊发表SCI收录文章190余篇，拥有美国、中国授权发明专利30余项，承担国家级、地市级项目数项，合作企业项目数项。

磁电耦合复合材料及磁检测新方法

项目背景

近二十年来，磁电材料因其在磁传感器、能量回收器、微机电系统、可调谐微波器件等工程领域的潜在应用而受到研究者的广泛关注。为了实现强磁电耦合，北京大学工学院的研究人员用不同的压电和压磁材料制备了0-3、3-1、2-2和2-1等磁电复合材料。

成就原则

1-1磁电复合结构是在北京大学工学院实验室通过激光处理压磁材料FeBSi合金提出的。实验结果表明，1-1型磁电材料具有超高的磁电系数，比现有结果高出近7倍。当测得的磁场频率为复合材料的共振频率时，在室温下测得1.35× 特斯拉的弱磁场，是体磁电复合材料领域的重要突破。还发现激光快速退火处理可以显著降低压磁材料在共振频率下的交流损耗，从而提高1-1型磁电结构的机械品质因数。此外，一维结构也有利于降低退磁因子，增强磁通集中效应。

基于磁电耦合效应，课题组首次提出了磁电门的结构设计，旨在探测微弱的DC磁场。磁电门具有穿梭结构。对于1nT DC磁场的输入，磁通门输出信号的相对变化较现有结果提高了4-5倍，为磁异常检测在导航、医疗诊断等领域的应用创造了可能。我们课题组与内窥镜团队合作，基于磁电耦合原理开发磁电传感器阵列和磁成像系统，研制出国内首台磁电成像样机。

关键技术指标

样机的核心部件由56个磁电传感器、驱动电路、信号采集与处理、磁成像显示等组成。磁成像系统不仅可以检测磁性金属物体的存在，还可以准确判断其位置和姿态，纵向偏差在1.2厘米以内，横向偏差在0.5厘米以内，此外，还可以通过对金属杆扫描和采集信号的差分处理来判断金属杆的长径比。本研究提出的磁成像系统在人体内磁胶囊的安全检测和实时监控方面具有很大的应用价值。

电子元件3D打印

项目创新

电子元器件3D打印技术可广泛应用于新型电子系统的快速研发、新功能的验证以及个性化电子产品的研发。该项目处于世界高科技前沿，原创性明显，对我国制造业发展和新系统研发具有重要推动作用。本项目的创新之处在于:

1.根据直接3D打印设备对材料的技术要求，开发适合静电纺丝或挤出喷射沉积的电子浆料材料；

2.根据电子器件印刷中膏体材料精密微静电纺丝、挤出、注射的技术要求，研制了一种新型注射阀，可完成高、低粘度膏体材料的精密微成形技术；

3.根据电子材料的功能特点，研发各种材料的3D打印与复合技术、有机/无机同步成型的关键技术、微区功能材料的成型与固化技术，这将大大加快本项目实施后整个电子系统的研发速度。

成果应用范围

北京大学工学院课题组制备了基于Tripod压电精密运动平台的微纳精密压电纳米工作台3D打印样机。同时，实验室还准备了3D打印样机，可以用多个喷嘴打印多种材料。研究人员用这种3D打印原型制作了PDMS柔性电容传感器和PVDF柔性压电传感器，致力于陶瓷3D打印的机理和实验研究，包括陶瓷纳米晶材料的制备、陶瓷浆料的研制、传感器和驱动器等微电子器件的添加制造。

目前电子系统3D印刷机的高精度操作已经基本实现了。

实验室对陶瓷3D打印进行了从原理到实验的一系列研究工作，致力于陶瓷压电微机电器件和系统的精密添加制造。

多自由度精密位移平台

项目背景

多自由度精密位移平台由压电电机驱动，包括传感器、驱动器、控制器等部件。它是精密仪器运动控制系统的核心部分，也是精密加工设备、医疗设备、微电子制造与测试设备、测量仪器、印刷设备、生物医学设备和自动化生产线的关键部件。其压电马达具有分辨率高、体积小、能耗低等特点。其运动控制部分采用先进的EtherCAT方案，使系统不仅更加简单灵活，而且具有更好的实时性。

应用范围

本项目产品主要面向医疗设备、精密测量设备和微纳加工市场，可应用于高端微电子设备、精密仪器仪表、计算机、工业控制系统、航空空航空航天、智能机器人等领域。我们的主要客户是光学和电子显微镜制造商、脱氧核糖核酸、细胞和组织检测设备制造商以及纳米材料研究和生产单位。

关键技术指标

多自由度精密位移平台重复定位精度优于1.0μm，最小步长优于0.1μm，驱动方式为单相脉冲，最大速度大于200mm/s，最大加速度2g，最大行程300mm，可多轴同步驱动，控制时延小于100μs。

专利情况

该项目已申请多项专利，其中2项发明专利和6项实用新型专利已获授权，2项软件著作权已申请。

高温压电振动能量回收装置和高温驱动器

项目背景

传统的PZT压电陶瓷应用广泛，但当居里温度较低、环境温度较高时，PZT陶瓷样品容易去极化。随着压电材料应用范围的进一步扩大，一些极端条件对压电陶瓷的应用提出了新的挑战。工业上使用的大功率超声器件，高温物体的超声波，高温物体的振动、加速度、压力测量，必须选用高温压电材料，尤其是汽车、航空空行业。

关键技术指标

在北京大学工学院实验室，利用居里点较高的钪酸铋-钛酸铅压电陶瓷，制备了适用于高温环境的基于d31模式和d33模式的压电振动能量回收器。该装置能在150℃以上的高温环境下稳定工作。在高温下，由于电畴的激活，器件的压电系数和相应的输出功率比室温下提高了一倍多。

与压电能量回收器不同，压电驱动器是一种利用压电效应将电能转化为机械能，实现纳米级驱动的器件。压电驱动器利用压电材料的准静态逆压电效应，实现从10微米到100微米的微小位移；同时，利用压电陶瓷的高温共振效应，可以制备高温压电电机。我们课题组研制的高温线性压电作动器，最高工作温度为200度。与电磁电机相比，压电驱动器具有发电力大、响应快、电磁兼容性好、运行精度高、体积小、重量轻等特点，可以有效弥补传统电磁电机在高温环境下的不足。本实验室还制备了基于钪酸铋-钛酸铅压电陶瓷的高温多层致动器。

实验测试表明，多层压电致动器的最高工作温度为250℃，高温下多层压电致动器的位移是室温下的两倍。我们课题组设计制造的多层压电致动器能够在250℃以下的环境下稳定工作，基本满足高温环境下的精密驱动需求。

数字病理系统

项目介绍

数字化病理系统是指计算机和网络在病理学领域的应用。这是一项将现代数字系统与传统光放大设备相结合的技术。它通过全自动显微镜或光学放大系统扫描采集获得高分辨率的数字图像，然后利用计算机对图像自动进行高精度多视角无缝拼接处理，获得高质量的可视化数据，应用于病理学的各个领域。

成就应用

本项目产品主要应用于智慧医疗领域，实现了病理资源的数字化、网络化，实现了可视化数据的永久存储和同步浏览，大大改善了远程病理会诊和病理教学的不便，可应用于病理学等形态学相关学科的教学和考试、病理学科阅片交流会、医院病理科室的信息化管理、临床重大病例诊断中的远程会诊和会诊。

研究成果分析交流、病理医师培训、常规疑难病例可视化资源库建立、影像标准化分析统计分析等。

关键技术指标

数字病理系统可一次加载多张载玻片，XY行程80mm*60mm，XY轴速度30mm/s，最小步长0.25μm，z轴行程10mm，移动速度0.2mm/s，最小步长0.1 μ m，可实现实时拼接和实时聚焦功能，还支持荧光染色中的荧光扫描。

R&D水平

本项目已完成研发和中试，并可量产。产品已在市场试销，反响良好。下一阶段将推出Z轴运动精度达到纳米级的增强版，使运动控制精度达到50纳米以内，提高图像处理速度和画面精度。