西安交大在連續纖維復合材料4D打印方面取得新進展

 

　　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，結合連續纖維材料的優異力學性能，提出一種基于連續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部嵌入的連續纖維起到了顯著增強力學性能以及實現彎曲變形效果的作用。該打印方法能夠通過調控纖維在復合材料絲材內部的偏置位置實現打印結構可控的承載特性及變形形態。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構，解決了傳統4D打印結構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 連續纖維增強液晶彈性體復合材料4D打印

 

　　連續碳纖維具有良好的導電導熱性能和極低的熱膨脹系數，研究團隊利用與其樹脂基體的熱膨脹系數差異明顯，提出了一種基于連續碳纖維的熱變形可調諧超表面的設計與4D打印方法，通過連續纖維復合材料手性結構設計，將復合材料和熱塑性樹脂分區沉積成形，基于理論計算、有限元分析和實驗揭示了結構參數對熱變形和電磁頻率控制的影響規律。所制備超表面結構的最大熱膨脹系數測量值達到了1333×10-6K-1，實現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構在軌電磁性能調控提供了一個新思路。研究成果以《4D打印連續纖維熱控超表面》（4D printed thermally tunable metasurface with continuous carbon fiber）為題發表在《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 連續纖維復合材料可調諧超表面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，通過創新創業、校企聯合，開發連續纖維3D打印工藝裝備，推動復合材料增材制造技術的產學研用深度融合發展。

 

　　論文鏈接：

 

　　https://www.nature.com/articles/s41467-023-39566-3

 

　   https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/17452759.2023.222429