利用4d打印技術制造活性復合材料

玻璃鋼大俠

    圖1美國科羅拉多大學博爾德分校H.JerryQi研究小組給3D打印技術成功增加了第四個維度，在傳統3D打印的復合材料中加入形狀記憶聚合物纖維，為制造、包裝和生物醫學應用領域制備適應性的復合材料創造了可能性。研究小組開發并測試了4D打印的方法，通過3D打印創建初始配置，形狀記憶纖維的程序動作創建依賴4D方面的配置。下圖1（a）活性復合材料打印過程示意圖，噴墨頭在托盤上水平移動，在規定位置沉積聚合物油墨的多材料液滴，擦拭成一個光滑的膜，然后用UV光聚該薄膜，一個膜層完成后，托盤向下移動到打印下一個膜層的位置；圖1（b）為活性復合材料膜層示意圖，纖維取向與X軸方向夾角為。4D打印使得材料自組裝到三維結構中，最初由美國麻省理工學院SkylarTibbits于2013年4月提出，并制作出可在水中自組裝的智能材料。研究小組進一步發展了4D打印的概念，基于不同的物理機制使復合材料可以變身成幾個不同的、復雜的形狀，使用形狀記憶聚合物纖維能產生所希望的復合材料形狀變化。研究小組表明活性復合材料內纖維的方向和位置的高低決定了形狀記憶效應，如折疊、卷曲、拉伸或扭轉等。研究人員還發現通過加熱或冷卻能控制活性復合材料的這些效應。為了驗證形狀記憶效果，在TH=60℃下對樣品進行變形加載（60℃高于纖維的轉變溫度35℃），之后在保持加載應力的情況下以2℃/min的速度將溫度冷卻到TL=15℃（圖2（a））。在15℃的時候基體還是橡膠狀態，但是纖維已經轉變到玻璃態了。在冷卻過程中，由于組成物的熱應變作用致使應變稍微下降。當在低溫下經歷足夠長的時間平衡了應變后，將應力釋放并觀察彈性卸載，彈性卸載的程度取決于纖維取向。最后，通過加熱未加限制試樣到60℃來恢復應變。圖2（b）顯示了加入溫度和應力的循環，圖2（c）顯示了應變相對于復合材料、纖維和基體材料的響應。這是一個受纖維取向影響的強烈的各向異性形狀記憶行為。聚合物纖維表現出形狀記憶性，但是基體材料就沒有。圖2為活性復合材料層板的形狀記憶行為：（a）形狀記憶循環示意圖；（b）對活性復合材料層板形狀記憶行為的熱機械加載程序；（c）對體積分數是28%的復合材料的應變-時間曲線（M代表基體,F代表纖維）；（d）固定性對纖維取向預測與實驗（圓圈）的比較。利用活性層板的各向異性形狀記憶特性可以用來創造打印活性復合材料。活性復合材料層板可以通過纖維方向變化、纖維體積變化，甚至允許改變層內設計參數來設計。層內參數的變化可以容易的通過打印來完成。圖3（a）顯示的是一個概念：打印有規定纖維結構的兩層板，加熱，拉伸，冷卻，之后釋放載荷。在釋放載荷之后，取決于纖維的結構，假定層板變成復雜的暫時形狀。之后重新加熱層板樣品，就會恢復到它原來的矩形條狀。圖3（b）顯示的是在最初狀態下的實際條狀。在圖3（c-e）中的每塊層板都有兩個相同厚度（0.5mm）的層構成，一層具有25%的纖維，且角度分別為:=0,90和30，另外一層是純基體材料沒有纖維。在圖3（f-h）中的每塊層板有間隔的有兩層的區域，兩層區域其中一層具有25%的纖維，一層是沒有纖維的。圖3通過設計層板結構得到復雜的低溫度下活性復合材料層板形狀。（a）一個兩層板，一層具有規定取向的纖維分布，一層是純基體，之后加熱，拉伸，冷卻和釋放加載。在釋放載荷之后，取決于層板的結構，假定它的形狀將會變得很復雜。當再加熱它的時候，假定它會變成原來平面的矩形長條狀；（b）顯示一個初始形狀的實際長條樣品；（c）（h）顯示前面所述過程結果，但初始長條材料中具有不同的纖維結構。該例子展示了打印活性復合材料的概念，以及如何才能與其他有任意幾何形狀和功能的打印部件整合。盡管這里重點講述的是在彈性材料基體中添加含有玻璃纖維的復合材料，但是可以將這個概念延伸到材料特征的一般空間變化，并且可以通過計算機設計工具，比如形狀和布局優化，去設計復合材料中材料的布局，并且利用其不穩定性做到大的結構改變。
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