利用4d打印技術(shù)制造活性復(fù)合材料

玻璃鋼大俠

    圖1美國(guó)科羅拉多大學(xué)博爾德分校H.JerryQi研究小組給3D打印技術(shù)成功增加了第四個(gè)維度，在傳統(tǒng)3D打印的復(fù)合材料中加入形狀記憶聚合物纖維，為制造、包裝和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域制備適應(yīng)性的復(fù)合材料創(chuàng)造了可能性。研究小組開發(fā)并測(cè)試了4D打印的方法，通過3D打印創(chuàng)建初始配置，形狀記憶纖維的程序動(dòng)作創(chuàng)建依賴4D方面的配置。下圖1（a）活性復(fù)合材料打印過程示意圖，噴墨頭在托盤上水平移動(dòng)，在規(guī)定位置沉積聚合物油墨的多材料液滴，擦拭成一個(gè)光滑的膜，然后用UV光聚該薄膜，一個(gè)膜層完成后，托盤向下移動(dòng)到打印下一個(gè)膜層的位置；圖1（b）為活性復(fù)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(jié)構(gòu)中，最初由美國(guó)麻省理工學(xué)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(jìn)一步發(fā)展了4D打印的概念，基于不同的物理機(jī)制使復(fù)合材料可以變身成幾個(gè)不同的、復(fù)雜的形狀，使用形狀記憶聚合物纖維能產(chǎn)生所希望的復(fù)合材料形狀變化。研究小組表明活性復(fù)合材料內(nèi)纖維的方向和位置的高低決定了形狀記憶效應(yīng)，如折疊、卷曲、拉伸或扭轉(zhuǎn)等。研究人員還發(fā)現(xiàn)通過加熱或冷卻能控制活性復(fù)合材料的這些效應(yīng)。為了驗(yàn)證形狀記憶效果，在TH=60℃下對(duì)樣品進(jìn)行變形加載（60℃高于纖維的轉(zhuǎn)變溫度35℃），之后在保持加載應(yīng)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(shí)候基體還是橡膠狀態(tài)，但是纖維已經(jīng)轉(zhuǎn)變到玻璃態(tài)了。在冷卻過程中，由于組成物的熱應(yīng)變作用致使應(yīng)變稍微下降。當(dāng)在低溫下經(jīng)歷足夠長(zhǎng)的時(shí)間平衡了應(yīng)變后，將應(yīng)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(fù)應(yīng)變。圖2（b）顯示了加入溫度和應(yīng)力的循環(huán)，圖2（c）顯示了應(yīng)變相對(duì)于復(fù)合材料、纖維和基體材料的響應(yīng)。這是一個(gè)受纖維取向影響的強(qiáng)烈的各向異性形狀記憶行為。聚合物纖維表現(xiàn)出形狀記憶性，但是基體材料就沒有。圖2為活性復(fù)合材料層板的形狀記憶行為：（a）形狀記憶循環(huán)示意圖；（b）對(duì)活性復(fù)合材料層板形狀記憶行為的熱機(jī)械加載程序；（c）對(duì)體積分?jǐn)?shù)是28%的復(fù)合材料的應(yīng)變-時(shí)間曲線（M代表基體,F代表纖維）；（d）固定性對(duì)纖維取向預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)（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(chuàng)造打印活性復(fù)合材料?；钚詮?fù)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(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)來設(shè)計(jì)。層內(nèi)參數(shù)的變化可以容易的通過打印來完成。圖3（a）顯示的是一個(gè)概念：打印有規(guī)定纖維結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，假定層板變成復(fù)雜的暫時(shí)形狀。之后重新加熱層板樣品，就會(huì)恢復(fù)到它原來的矩形條狀。圖3（b）顯示的是在最初狀態(tài)下的實(shí)際條狀。在圖3（c-e）中的每塊層板都有兩個(gè)相同厚度（0.5mm）的層構(gòu)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(qū)域，兩層區(qū)域其中一層具有25%的纖維，一層是沒有纖維的。圖3通過設(shè)計(jì)層板結(jié)構(gòu)得到復(fù)雜的低溫度下活性復(fù)合材料層板形狀。（a）一個(gè)兩層板，一層具有規(guī)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(jié)構(gòu)，假定它的形狀將會(huì)變得很復(fù)雜。當(dāng)再加熱它的時(shí)候，假定它會(huì)變成原來平面的矩形長(zhǎng)條狀；（b）顯示一個(gè)初始形狀的實(shí)際長(zhǎng)條樣品；（c）（h）顯示前面所述過程結(jié)果，但初始長(zhǎng)條材料中具有不同的纖維結(jié)構(gòu)。該例子展示了打印活性復(fù)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(diǎn)講述的是在彈性材料基體中添加含有玻璃纖維的復(fù)合材料，但是可以將這個(gè)概念延伸到材料特征的一般空間變化，并且可以通過計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)工具，比如形狀和布局優(yōu)化，去設(shè)計(jì)復(fù)合材料中材料的布局，并且利用其不穩(wěn)定性做到大的結(jié)構(gòu)改變。
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