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《Nature Communications》:4D打印可控偏置连续纤维/液晶弹性体复合材料

《Nature Communications》:4D打印可控偏置连续纤维/液晶弹性体复合材料

  • 分类:行业动态
  • 发布时间:2023-07-20 16:34
  • 访问量:

【概要描述】

《Nature Communications》:4D打印可控偏置连续纤维/液晶弹性体复合材料

【概要描述】

  • 分类:行业动态
  • 发布时间:2023-07-20 16:34
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2023年6月30日,西安交通大学的研究人员在《Nature Communications》上发表题为Programmable spatial deformation by controllable off-center freestanding 4D printing of continuous fiber reinforced liquid crystal elastomer composites的研究论文,报道了一种基于连续纤维增强液晶弹性体的直写4D打印方法,通过在液晶弹性体复合材料内部嵌入连续纤维,显著增强其力学性能以及实现可控变形的效果。
原文链接:

https://doi.org/10.1038/s41467-023-39566-3

  研究内容解读  

4D打印结构因具有优秀的变形能力,在折纸结构、软机器人和可展开结构中有着广泛的应用。液晶弹性体作为一种分子链取向可编程的材料,有望用于制备独立的、可承受的、可变形的三维结构。但现有的液晶弹性体的4D打印方法大多仅限于制造平面结构,限制了液晶弹性体的变形可设计性和承载能力。

本研究提出了一种针对独立连续纤维增强复合材料的DIW墨水直写4D打印方法。连续纤维可以在打印过程中支撑独立结构,提高4D打印结构的力学性能和变形能力。同时本文通过调整纤维的偏心分布,实现了集成全浸渍复合界面、可编程变形能力和高承载能力的4D打印结构,4D打印的液晶复合材料可承载高达自身重量2805倍的载荷,在150℃下弯曲变形曲率达到0.33 mm。这有望为创造软机器人、机械超材料和人造肌肉提供新的解决方案。

  研究内容解读  

本研究提出了一种基于离中心连续纤维增强LCEs (CFRLCEs)的连续纤维墨水直写(CFDIW) 4D打印方法。连续纤维的引入可以使结构制备过程更加方便,并提高LCE结构的变形能力和力学性能。此外,由于连续纤维的弹性模量远高于LCEs和其他可变形聚合物,因此可以改善4D打印结构的力学性能。
在变形性能方面,连续纤维和LCE基体CTEs的差异导致纯液晶的变形方式由收缩变形转变为弯曲变形,从而进一步提高了变形能力。依靠连续纤维的支撑能力,复合材料可以直接制备成三维结构,而不是通过一般的4D打印来制备平面结构,从而大大提升三维结构的力学性能。此外,CFDIW工艺允许调节纤维在复合长丝中的偏离中心位置,从而使复合材料的弯曲变形方向易于控制,制备的三维结构可产生相当大的变形。

图1 CFDIW工艺的原料、机理和挤压过程。

图2 离中心CFRLCE材料的制备。

图3 利用拉伸倾角控制LCE的变形特性正倾角示意图。

图4 纤分布位置控制方法。

图6 CFRLCE桁架的热致变形。

图7 4D打印独立CFRLCE复合材料。

  研究结论  

本研究展示了CFDIW 4D打印工艺,可以在连续纤维的支持下直接打印三维结构。并可直接控制芯壳复合结构中连续纤维的偏离中心位置,实现可编程变形。本研究实现了LCE大变形、高承载能力的可调设计,LCE可承载高达自身重量2805倍的重量,并在150℃下实现了0.33 mm-1的弯曲变形曲率。

通过对CFRLCE桁架结构的优化设计,使其具备了更高的承载能力和变形能力。由于其独特的变形能力和力学性能,CFDIW工艺制备的结构有望应用于具有夹持功能的软机器人领域,如柔性机械臂或给药机器人。
——END——

奇遇科技自主研发DIW精细直写4D打印机,并联合清华大学深圳研究生院和佛山(华南)新材料研究院,提出并成功实现了复杂陶瓷结构的4D打印策略,通过精确调整陶瓷材料的固含量和打印路径,实现了陶瓷4D打印“设备——材料——工艺”独立开发;加入独家CAD4D打印算法,实现陶瓷烧结内应力驱动结构变化。相关研究成果以“4D printing of ceramic structures”为题发表于国际期《Additive Manufacturing》。

奇遇科技4D打印陶瓷花朵模型

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