軟硬可變、形狀可變的4D打印超材料

Date:2019-04-07 08:16:02

         超材料是指材料的設(shè)計(jì)表現(xiàn)出不同尋常的特性,是具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料。 迄今發(fā)展出的“超材料”包括:”左手材料”、”光子晶體”、”超磁性材料”等。美國(guó)羅格斯大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一款新的4D打印超材料,該材料經(jīng)過(guò)特殊的設(shè)計(jì),能夠在一定條件下發(fā)生性能變化,既可以變得像木材一樣堅(jiān)硬,又能夠變得像海綿一般柔軟。根據(jù)研究團(tuán)隊(duì),這款超材料未來(lái)可應(yīng)用于制造飛機(jī)、無(wú)人機(jī)機(jī)翼,軟機(jī)器人,植入式生物醫(yī)學(xué)設(shè)備等。

軟硬可變、形狀可變的4D打印超材料

來(lái)源:Material Horizons

block 軟硬可變形狀可變

      有關(guān)這款4D打印超材料的研究論文發(fā)表在了Materials Horizons雜志上,論文為“4D printing reconfigurable, deployable and mechanically tunable metamaterials”。在論文中,研究團(tuán)隊(duì)表示,機(jī)械超材料的外來(lái)特性來(lái)自微結(jié)構(gòu)元素的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 然而,超材料具有固定的特性而沒(méi)有適應(yīng)和調(diào)整的能力。在研究中,他們提出了通過(guò)3D打印設(shè)備和具有形狀記憶屬性的聚合物材料,創(chuàng)建幾何可重構(gòu),功能可部署和機(jī)械可調(diào)輕質(zhì)超材料,實(shí)現(xiàn)了超材料的剛度,幾何形狀和功能的顯著且可逆的變化。這款聚合物材料制成的超材料具有可調(diào)特性,材料在被擊打時(shí)會(huì)保持剛性,或者像海綿一樣變軟以吸收震動(dòng)。

軟硬可變、形狀可變的4D打印超材料

     材料的剛度也能夠根據(jù)溫度變化進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)溫度在室溫水平和194華氏度之間,材料剛度可以調(diào)節(jié)超過(guò)100倍,從而實(shí)現(xiàn)很大程度的減震控制。該材料還可以改變形狀,然后在加熱時(shí)恢復(fù)其原始形狀。根據(jù)研究團(tuán)隊(duì),這款超材料的未來(lái)應(yīng)用前景可期,潛力是用于制造飛機(jī)或無(wú)人機(jī)機(jī)翼,通過(guò)“自動(dòng)”調(diào)整形狀獲得更好的性能。它們還可用于生產(chǎn)柔軟、靈活的機(jī)器人,或制造小型植入式醫(yī)療器械。使用這種材料制造的植入器械,在植入式暫時(shí)變得柔軟,從而易于進(jìn)行微創(chuàng)植入。此外,由于這款超材料還具有可折疊的特點(diǎn),因此未來(lái)可用于制造可折疊的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)。

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      4D打印是指在第四維度形狀或功能發(fā)生改變,換句話說(shuō),4D打印允許對(duì)象被3D打印后其形狀和材料特性暴露在一個(gè)預(yù)先確定的刺激如浸沒(méi)在水中,或暴露于熱、壓力、電流、紫外線或一些其他的能源刺激下,其功能或形狀發(fā)生特定的改變。4D 打印技術(shù)之前大都應(yīng)用在聚合物材料中。根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察,香港城市大學(xué)呂堅(jiān)教授研究組,在從材料出發(fā),開(kāi) 發(fā)了不同系統(tǒng)的硅膠基質(zhì)納米復(fù)合彈性體材料作為陶瓷前驅(qū)體。

      這些彈性體材料的特性使其可以完成從 3D 打印到變形的過(guò)程,并且最終轉(zhuǎn)變?yōu)樘沾山Y(jié)構(gòu),從而逐步實(shí)現(xiàn)打印陶瓷折紙結(jié)構(gòu)和 4D 打印陶瓷。這種 4D 打印結(jié)合了 3D 打印,自變形組裝和彈性體衍生陶瓷在大尺寸陶瓷結(jié)構(gòu)的形狀復(fù)雜程度、機(jī)械強(qiáng)度、制造成本和適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境能力上實(shí)現(xiàn)了突破,有望廣泛應(yīng)用在太空探索,3C 電子產(chǎn)品,航空發(fā)動(dòng)機(jī),防彈軍事裝備,和高溫微機(jī)電系統(tǒng)等領(lǐng)域中。

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