軟硬可變、形狀可變的4D打印超材料

發(fā)布日期:2019-04-07 08:16:02

         超材料是指材料的設計表現(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)的人工復合結構或復合材料。 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。美國羅格斯大學的研究團隊開發(fā)了一款新的4D打印超材料,該材料經(jīng)過特殊的設計,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硬,又能夠變得像海綿一般柔軟。根據(jù)研究團隊,這款超材料未來可應用于制造飛機、無人機機翼,軟機器人,植入式生物醫(yī)學設備等。

軟硬可變、形狀可變的4D打印超材料

來源:Material Horizons

block 軟硬可變形狀可變

      有關這款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,研究團隊表示,機械超材料的外來特性來自微結構元素的拓撲結構。 然而,超材料具有固定的特性而沒有適應和調(diào)整的能力。在研究中,他們提出了通過3D打印設備和具有形狀記憶屬性的聚合物材料,創(chuàng)建幾何可重構,功能可部署和機械可調(diào)輕質(zhì)超材料,實現(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,材料在被擊打時會保持剛性,或者像海綿一樣變軟以吸收震動。

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)溫度變化進行調(diào)節(jié)。當溫度在室溫水平和194華氏度之間,材料剛度可以調(diào)節(jié)超過100倍,從而實現(xiàn)很大程度的減震控制。該材料還可以改變形狀,然后在加熱時恢復其原始形狀。根據(jù)研究團隊,這款超材料的未來應用前景可期,潛力是用于制造飛機或無人機機翼,通過“自動”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,在植入式暫時變得柔軟,從而易于進行微創(chuàng)植入。此外,由于這款超材料還具有可折疊的特點,因此未來可用于制造可折疊的輕質(zhì)結構。

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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,4D打印允許對象被3D打印后其形狀和材料特性暴露在一個預先確定的刺激如浸沒在水中,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 打印技術之前大都應用在聚合物材料中。根據(jù)3D科學谷的市場觀察,香港城市大學呂堅教授研究組,在從材料出發(fā),開 發(fā)了不同系統(tǒng)的硅膠基質(zhì)納米復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 打印到變形的過程,并且最終轉(zhuǎn)變?yōu)樘沾山Y構,從而逐步實現(xiàn)打印陶瓷折紙結構和 4D 打印陶瓷。這種 4D 打印結合了 3D 打印,自變形組裝和彈性體衍生陶瓷在大尺寸陶瓷結構的形狀復雜程度、機械強度、制造成本和適應復雜環(huán)境能力上實現(xiàn)了突破,有望廣泛應用在太空探索,3C 電子產(chǎn)品,航空發(fā)動機,防彈軍事裝備,和高溫微機電系統(tǒng)等領域中。

      來源:3D科學谷 版權歸原作者所有