高刚度玻璃纤维调节形变结构的4D打印

变形结构具有在外界刺激下改变其几何结构和形态的能力，在可折叠机器人、生物医学设备和紧凑型可展开结构等领域有着广泛的应用前景。自然界有许多根据周围环境变化而变形的例子，如捕蝇草、含羞草和松果种子等，这些例子激发了仿生活性材料或智能结构的设计和制造。包括形状记忆聚合物、水凝胶、液晶弹性体和磁性软材料在内的各种刺激响应材料已用于形状转换。近年来，具有改变3D打印部件形状的能力的4D打印技术已在各个领域引起了极大的关注。刺激响应材料、最新的3D打印技术和设计方法的使用使4D打印可以实现有趣的形状制造又能按需进行形状变换，从而在执行器、软机器人、主动超构材料、柔性电子和生物医学设备中发现了广泛的潜在应用。但是，大多数4D打印使用软质聚合物以低刚度为代价来适应较大的应变变形能力，这阻碍了其工程应用。

       近日，佐治亚理工学院H. Jerry Qi教授团队展示了一种设计和制造具有大变形和高模量的自变形结构的方法。通过多材料直接墨水书写使用复合墨水印刷结构，复合墨水包含高体积分数的溶剂、光固化聚合物树脂、短玻璃纤维以及气相二氧化硅。在打印过程中，玻璃纤维通过喷嘴进行剪切诱导的排列，从而导致高度各向异性的机械性能。然后将溶剂蒸发，在此过程中，对准的玻璃纤维使其在平行和垂直方向上向对准的纤维进行形状移动的各向异性收缩。进行最后的后光固化步骤，以进一步将复合材料的刚度从约300 MPa增加到约4.8 GPa。建立了有限元分析模型来预测溶剂、纤维含量和纤维取向对形状变化的影响。证明了结构的各向异性体积收缩可以用作主动铰链，以将打印的二维结构转换为具有大的形变和出色的力学性能的复杂的三维结构。这种具有可编程体系结构和出色机械性能的复合材料结构制造策略显示了在变形具有承重能力的轻型结构方面的潜在应用。相关研究发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上。（徐锐）

文章链接： Weng, S., et al., 4D Printing of Glass Fiber-Regulated Shape Shifting Structures with High Stiffness. ACS Applied Materials & Interfaces, 2020.
       https://doi.org/10.1021/acsami.0c18988