《尖端科學》封面+封底：華中科大在4D列印領域取得重要進展

2020-08-19 江蘇雷射產業創新聯盟

日前，華中科技大學材料學院史玉升教授團隊提出材料組合的思想製備柔性4D列印器件，為性能變化、功能變化的4D列印提供了新的思路和方法，相關成果以封面文章發表在《尖端科學》（Advanced Science）上。

為解決傳感/執行一體化的難題，史玉升教授團隊受蠍子縫感受器超敏縫結構的啟發，仿生設計出梯度縫結構，4D列印炭黑納米粒子/聚乳酸（PLA）複合材料，成形出具有自主形變並能自感知應變和溫度的仿生縫結構器件，實現了傳感/執行一體化功能，相關成果以封底文章發表在Advanced Science上。

論文連結：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/advs.201903208

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202000584

材料組合思想增材製造磁電器件實現變性能、變功能4D列印

封面文章題為「A material combination concept to realize 4D printed products with newly-emerging property/functionality」，採用了一種全新的磁電材料組合的思想，將增材製造的磁性多孔結構和導電性的螺旋結構相組合，得到4D列印成形的柔性磁電器件，製備流程如圖1所示。

圖1 製備流程

多孔結構由於具有永磁性而能產生磁場，導電性的螺旋結構（相當於導電線圈）處在該磁場中。在磁電器件壓縮/回復的循環過程中，穿過線圈的磁通量發生變化，根據法拉第電磁感應定律可知在兩塊平行板之間會產生電壓（原理示意圖如圖2所示，電壓曲線圖如圖3所示）。所以，增材製造構件產生了壓電性能和感知外界壓力的功能，而這種性能和功能是磁性多孔結構和導電結構原本均不具備的，因此，增材製造構件的性能和功能均發生了變化，從而使變性能、變功能的4D列印得以實現。

圖2 4D列印成形柔性磁電器件壓電效應原理示意圖

圖3 4D列印成形柔性磁電器件在外力作用下產生的電壓曲線圖(a)磁粉含量為40wt%、壓縮速率為50mm/s、磁電器件壓縮的應變為20%時，器件在壓力作用下產生的電壓；（b）一個周期內壓縮過程產生的電壓；（c）一個周期內回復過程產生的電壓

團隊還對該4D列印柔性磁電器件進行了細緻的宏微觀結構表徵；研究了器件的高度對壓電性能變化的影響規律；證實了所建立的有限元模型的有效性與仿真模擬的準確性。該研究最大的意義在於4D列印智能構件可通過材料組合來實現，豐富了變形、變性能、變功能的4D列印研究思路，也為磁電器件提供了新的材料/結構設計思想和製造方法。

材料學院博士生伍宏志為論文第一作者，在史玉升教授、閆春澤教授和蘇彬教授的指導下完成。

4D列印仿蠍子縫結構，實現傳感-執行一體化

封底文章題為「4D Printing Strain Self‐Sensing and Temperature Self‐Sensing Integrated Sensor-Actuator with Bioinspired Gradient Gaps」，通過材料-結構-功能一體化4D列印，創造性的在材料水平上實現了傳感/執行一體化功能。傳感/執行一體化原理：炭黑納米粒子/PLA複合材料具有良好的導電性能和形狀記憶效應，該材料的4D列印器件加熱後可發生可控形狀變化。在加熱過程中，由於炭黑納米粒子與PLA的膨脹率不同，炭黑納米粒子間的距離改變引起電子遂穿效應變化，使器件電阻改變，從而將熱信號轉變為電阻信號實現溫度自感知（如圖4所示）；同時，器件在形狀改變過程中，器件縫結構周邊的炭黑納米粒子會接觸-分離，器件內局部接觸電阻變化使器件的電阻改變，從而將自身形變信號轉變為電阻信號實現應變自感知（如圖5所示）。

圖4 溫度感知

圖5 應變感知

基於此，研究者將該仿生4D列印器件應用於模擬手指觸碰手機屏幕（如圖6所示）。在溫度激勵下器件形狀改變，模擬手指主動觸碰屏幕，在這個過程中器件形變引起其縫結構間距的變化使器件整體電阻改變，實現器件形狀變化自感知。在觸碰瞬間，可通過電阻的變化檢測到器件觸碰屏幕的應力，實現觸碰應變自感知。

圖6 應用案例

該研究成果將智能材料、仿生結構和4D列印有機結合，實現了材料水平上傳感/執行一體化，為未來機器人等智能裝備的關鍵器件研發提供了新的思路和途徑。

材料學院陳道兵博士為論文第一作者，在史玉升教授、文世峰副教授和周燕副教授的指導下完成。

來源：華中科技大學。江蘇雷射聯盟轉載

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