《尖端科學(xué)》封面+封底：華中科大在4D打印領(lǐng)域取得重要進(jìn)展

來(lái)源：華中科技大學(xué)

日前，華中科技大學(xué)材料學(xué)院史玉升教授團(tuán)隊(duì)提出材料組合的思想制備柔性4D打印器件，為性能變化、功能變化的4D打印提供了新的思路和方法，相關(guān)成果以封面文章發(fā)表在《尖端科學(xué)》（Advanced Science）上。

為解決傳感/執(zhí)行一體化的難題，史玉升教授團(tuán)隊(duì)受蝎子縫感受器超敏縫結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，仿生設(shè)計(jì)出梯度縫結(jié)構(gòu)，4D打印炭黑納米粒子/聚乳酸（PLA）復(fù)合材料，成形出具有自主形變并能自感知應(yīng)變和溫度的仿生縫結(jié)構(gòu)器件，實(shí)現(xiàn)了傳感/執(zhí)行一體化功能，相關(guān)成果以封底文章發(fā)表在Advanced Science上。

論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/advs.201903208
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202000584


材料組合思想增材制造磁電器件實(shí)現(xiàn)變性能、變功能4D打印
封面文章題為“A material combination concept to realize 4D printed products with newly-emerging property/functionality”，采用了一種全新的磁電材料組合的思想，將增材制造的磁性多孔結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電性的螺旋結(jié)構(gòu)相組合，得到4D打印成形的柔性磁電器件，制備流程如圖1所示。

圖1 制備流程

多孔結(jié)構(gòu)由于具有永磁性而能產(chǎn)生磁場(chǎng)，導(dǎo)電性的螺旋結(jié)構(gòu)（相當(dāng)于導(dǎo)電線圈）處在該磁場(chǎng)中。在磁電器件壓縮/回復(fù)的循環(huán)過(guò)程中，穿過(guò)線圈的磁通量發(fā)生變化，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律可知在兩塊平行板之間會(huì)產(chǎn)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，增材制造構(gòu)件產(chǎn)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(jié)構(gòu)和導(dǎo)電結(jié)構(gòu)原本均不具備的，因此，增材制造構(gòu)件的性能和功能均發(fā)生了變化，從而使變性能、變功能的4D打印得以實(shí)現(xiàn)。

圖2 4D打印成形柔性磁電器件壓電效應(yīng)原理示意圖

圖3 4D打印成形柔性磁電器件在外力作用下產(chǎn)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(yīng)變?yōu)?0%時(shí)，器件在壓力作用下產(chǎn)生的電壓；（b）一個(gè)周期內(nèi)壓縮過(guò)程產(chǎn)生的電壓；（c）一個(gè)周期內(nèi)回復(fù)過(guò)程產(chǎn)生的電壓

團(tuán)隊(duì)還對(duì)該4D打印柔性磁電器件進(jìn)行了細(xì)致的宏微觀結(jié)構(gòu)表征；研究了器件的高度對(duì)壓電性能變化的影響規(guī)律；證實(shí)了所建立的有限元模型的有效性與仿真模擬的準(zhǔn)確性。該研究最大的意義在于4D打印智能構(gòu)件可通過(guò)材料組合來(lái)實(shí)現(xiàn)，豐富了變形、變性能、變功能的4D打印研究思路，也為磁電器件提供了新的材料/結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想和制造方法。

材料學(xué)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(dǎo)下完成。

4D打印仿蝎子縫結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)傳感-執(zhí)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(guò)材料-結(jié)構(gòu)-功能一體化4D打印，創(chuàng)造性的在材料水平上實(shí)現(xiàn)了傳感/執(zhí)行一體化功能。傳感/執(zhí)行一體化原理：炭黑納米粒子/PLA復(fù)合材料具有良好的導(dǎo)電性能和形狀記憶效應(yīng)，該材料的4D打印器件加熱后可發(fā)生可控形狀變化。在加熱過(guò)程中，由于炭黑納米粒子與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(yīng)變化，使器件電阻改變，從而將熱信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮栊盘?hào)實(shí)現(xiàn)溫度自感知（如圖4所示）；同時(shí)，器件在形狀改變過(guò)程中，器件縫結(jié)構(gòu)周邊的炭黑納米粒子會(huì)接觸-分離，器件內(nèi)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(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮栊盘?hào)實(shí)現(xiàn)應(yīng)變自感知（如圖5所示）。

圖4 溫度感知

圖5 應(yīng)變感知

基于此，研究者將該仿生4D打印器件應(yīng)用于模擬手指觸碰手機(jī)屏幕（如圖6所示）。在溫度激勵(lì)下器件形狀改變，模擬手指主動(dòng)觸碰屏幕，在這個(gè)過(guò)程中器件形變引起其縫結(jié)構(gòu)間距的變化使器件整體電阻改變，實(shí)現(xiàn)器件形狀變化自感知。在觸碰瞬間，可通過(guò)電阻的變化檢測(cè)到器件觸碰屏幕的應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)觸碰應(yīng)變自感知。

圖6 應(yīng)用案例

該研究成果將智能材料、仿生結(jié)構(gòu)和4D打印有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了材料水平上傳感/執(zhí)行一體化，為未來(lái)機(jī)器人等智能裝備的關(guān)鍵器件研發(fā)提供了新的思路和途徑。

材料學(xué)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(dǎo)下完成。