【科技自立自強】西安交大科研團隊在連續(xù)纖維復合材料4d打印研究方面取得新進展

4d打印結(jié)構(gòu)能夠在外界刺激下產(chǎn)生可編程的形狀及性能變化，因而在航空航天、軟體機器人、生物醫(yī)療等領域具有廣泛的應用前景。然而，當前的4d打印結(jié)構(gòu)通常無法兼顧大變形能力和力學承載能力，無法實現(xiàn)多功能融合。

西安交通大學科研團隊利用液晶彈性體的可逆熱致伸縮變形能力，結(jié)合連續(xù)纖維材料的優(yōu)異力學性能，提出一種基于連續(xù)纖維增強液晶彈性體的直寫4d打印方法，液晶彈性體復合材料內(nèi)部嵌入的連續(xù)纖維起到了顯著增強力學性能以及實現(xiàn)彎曲變形效果的作用。該打印方法能夠通過調(diào)控纖維在復合材料絲材內(nèi)部的偏置位置實現(xiàn)打印結(jié)構(gòu)可控的承載特性及變形形態(tài)。打印的液晶復合材料可以承受高達其自身重量2805倍的載荷，并在150 ℃條件下實現(xiàn)0.33 mm-1的彎曲曲率。利用這一工藝制備了具有承載能力以及變形能力的復合材料桁架結(jié)構(gòu)，解決了傳統(tǒng)4d打印結(jié)構(gòu)力學承載性能差的難題。研究成果以《具有可編程空間變形能力的可控偏置連續(xù)纖維/液晶彈性體復合材料4d打印》（programmable spatial deformation by controllable off-center freestanding 4d printing of continuous fiber reinforced liquid crystal elastomer composites）為題發(fā)表在期刊《自然通訊》（nature communications）上，論文第一作者是西安交通大學博士生王清瑞，田小永教授為唯一通訊作者，論文作者還有李滌塵教授、博士生張道康、碩士生周艷麗，西安交通大學為唯一完成單位。

圖1 連續(xù)纖維增強液晶彈性體復合材料4d打印

連續(xù)碳纖維具有良好的導電導熱性能和極低的熱膨脹系數(shù)，研究團隊利用與其樹脂基體的熱膨脹系數(shù)差異明顯，提出了一種基于連續(xù)碳纖維的熱變形可調(diào)諧超表面的設計與4d打印方法，通過連續(xù)纖維復合材料手性結(jié)構(gòu)設計，將復合材料和熱塑性樹脂分區(qū)沉積成形，基于理論計算、有限元分析和實驗揭示了結(jié)構(gòu)參數(shù)對熱變形和電磁頻率控制的影響規(guī)律。所制備超表面結(jié)構(gòu)的最大熱膨脹系數(shù)測量值達到了1333×10-6k-1，實現(xiàn)了等效熱變形前后的超表面對-1 db電磁波透射頻段28.1%的偏移，該方法為空間天線結(jié)構(gòu)在軌電磁性能調(diào)控提供了一個新思路。研究成果以《4d打印連續(xù)纖維熱控超表面》（4d printed thermally tunable metasurface with continuous carbon fiber）為題發(fā)表在《虛擬與物理原型》（virtual and physical prototyping）上，論文第一作者是西安交通大學博士生康友偉，田小永教授為唯一通訊作者，論文作者還有西安交通大學李滌塵教授、吳玲玲副教授，航天五院西安分院馬小飛研究員等。

圖2 連續(xù)纖維復合材料可調(diào)諧超表面4d打印

論文研究得到了國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃、西安交大青年拔尖人才支持計劃，以及西安交大分析測試中心的大力支持。研究團隊在連續(xù)纖維增強復合材料3d/4d打印開展深入研究與應用推廣，2020年支撐了我國首次也是國際首次太空3d打印實驗，通過創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、校企聯(lián)合，開發(fā)連續(xù)纖維3d打印工藝裝備，推動復合材料增材制造技術(shù)的產(chǎn)學研用深度融合發(fā)展。

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