利用4d打印技术制造活性复合材料

玻璃钢大侠

    图1美国科罗拉多大学博尔德分校H.JerryQi研究小组给3D打印技术成功增加了第四个维度，在传统3D打印的复合材料中加入形状记忆聚合物纤维，为制造、包装和生物医学应用领域制备适应性的复合材料创造了可能性。研究小组开发并测试了4D打印的方法，通过3D打印创建初始配置，形状记忆纤维的程序动作创建依赖4D方面的配置。下图1（a）活性复合材料打印过程示意图，喷墨头在托盘上水平移动，在规定位置沉积聚合物油墨的多材料液滴，擦拭成一个光滑的膜，然后用UV光聚该薄膜，一个膜层完成后，托盘向下移动到打印下一个膜层的位置；图1（b）为活性复合材料膜层示意图，纤维取向与X轴方向夹角为。4D打印使得材料自组装到三维结构中，最初由美国麻省理工学院SkylarTibbits于2013年4月提出，并制作出可在水中自组装的智能材料。研究小组进一步发展了4D打印的概念，基于不同的物理机制使复合材料可以变身成几个不同的、复杂的形状，使用形状记忆聚合物纤维能产生所希望的复合材料形状变化。研究小组表明活性复合材料内纤维的方向和位置的高低决定了形状记忆效应，如折叠、卷曲、拉伸或扭转等。研究人员还发现通过加热或冷却能控制活性复合材料的这些效应。为了验证形状记忆效果，在TH=60℃下对样品进行变形加载（60℃高于纤维的转变温度35℃），之后在保持加载应力的情况下以2℃/min的速度将温度冷却到TL=15℃（图2（a））。在15℃的时候基体还是橡胶状态，但是纤维已经转变到玻璃态了。在冷却过程中，由于组成物的热应变作用致使应变稍微下降。当在低温下经历足够长的时间平衡了应变后，将应力释放并观察弹性卸载，弹性卸载的程度取决于纤维取向。最后，通过加热未加限制试样到60℃来恢复应变。图2（b）显示了加入温度和应力的循环，图2（c）显示了应变相对于复合材料、纤维和基体材料的响应。这是一个受纤维取向影响的强烈的各向异性形状记忆行为。聚合物纤维表现出形状记忆性，但是基体材料就没有。图2为活性复合材料层板的形状记忆行为：（a）形状记忆循环示意图；（b）对活性复合材料层板形状记忆行为的热机械加载程序；（c）对体积分数是28%的复合材料的应变-时间曲线（M代表基体,F代表纤维）；（d）固定性对纤维取向预测与实验（圆圈）的比较。利用活性层板的各向异性形状记忆特性可以用来创造打印活性复合材料。活性复合材料层板可以通过纤维方向变化、纤维体积变化，甚至允许改变层内设计参数来设计。层内参数的变化可以容易的通过打印来完成。图3（a）显示的是一个概念：打印有规定纤维结构的两层板，加热，拉伸，冷却，之后释放载荷。在释放载荷之后，取决于纤维的结构，假定层板变成复杂的暂时形状。之后重新加热层板样品，就会恢复到它原来的矩形条状。图3（b）显示的是在最初状态下的实际条状。在图3（c-e）中的每块层板都有两个相同厚度（0.5mm）的层构成，一层具有25%的纤维，且角度分别为:=0,90和30，另外一层是纯基体材料没有纤维。在图3（f-h）中的每块层板有间隔的有两层的区域，两层区域其中一层具有25%的纤维，一层是没有纤维的。图3通过设计层板结构得到复杂的低温度下活性复合材料层板形状。（a）一个两层板，一层具有规定取向的纤维分布，一层是纯基体，之后加热，拉伸，冷却和释放加载。在释放载荷之后，取决于层板的结构，假定它的形状将会变得很复杂。当再加热它的时候，假定它会变成原来平面的矩形长条状；（b）显示一个初始形状的实际长条样品；（c）（h）显示前面所述过程结果，但初始长条材料中具有不同的纤维结构。该例子展示了打印活性复合材料的概念，以及如何才能与其他有任意几何形状和功能的打印部件整合。尽管这里重点讲述的是在弹性材料基体中添加含有玻璃纤维的复合材料，但是可以将这个概念延伸到材料特征的一般空间变化，并且可以通过计算机设计工具，比如形状和布局优化，去设计复合材料中材料的布局，并且利用其不稳定性做到大的结构改变。
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