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近日，大連理工大學聯(lián)合大連醫(yī)科大學附屬第二醫(yī)院的研究團隊，通過4D打印技術(shù)，將連續(xù)碳纖維與創(chuàng)新結(jié)構(gòu)相結(jié)合，造出了一款“全能型”智能復合材料，既能快速電熱變形、高效吸能，又能強承重，一舉解決了行業(yè)痛點。
在材料上，他們先打造了一款PLA/TPU/碳納米管復合基體，再加入連續(xù)碳纖維作為增強體——這相當于給材料裝上了“強韌骨架”和“快速導熱導電通路”，既能提升強度，又能實現(xiàn)電驅(qū)動變形，不用再依賴單一的熱驅(qū)動，響應(yīng)速度大幅提升。
結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，團隊沒有采用傳統(tǒng)的蜂窩結(jié)構(gòu)，而是創(chuàng)新性地將兩種特殊結(jié)構(gòu)結(jié)合：一種是內(nèi)凹框架，能實現(xiàn)“越壓越緊”的負泊松比特性，支撐力超強；另一種是Gyroid三重周期極小曲面結(jié)構(gòu)，像天然海綿一樣，吸能效果拉滿。兩者結(jié)合形成的混雜晶格結(jié)構(gòu)，完美融合了“強支撐”和“高吸能”的優(yōu)勢。
這份創(chuàng)新帶來的效果，用數(shù)據(jù)說話更有說服力：加入兩層連續(xù)碳纖維的復合材料，彎曲強度和模量比未增強的基體分別提升62%和51%；電刺激下，僅需36秒就能恢復93.08%的原始形狀，比單一熱驅(qū)動快得多；混雜晶格結(jié)構(gòu)的壓縮強度、吸能效率，也比單一內(nèi)凹結(jié)構(gòu)提升近一倍。
這款“全能”材料，應(yīng)用場景十分廣泛，比如柔性機器人關(guān)節(jié)，既能靈活變形，又能承受運動中的沖擊力；可展開太空結(jié)構(gòu)，發(fā)射時能折疊縮小節(jié)省空間，進入太空后通電就能快速展開；甚至在智能醫(yī)療領(lǐng)域，也能制成可變形的植入體，適配人體組織的動態(tài)需求。
更重要的是，這項技術(shù)為下一代智能復合材料提供了新方向。以往4D打印要么偏重于變形，要么偏重于強度，而大連理工大學團隊的“材料-結(jié)構(gòu)”協(xié)同設(shè)計，實現(xiàn)了“感知-驅(qū)動-承載”一體化，打破了“魚和熊掌不可兼得”的行業(yè)困境。
相信隨著技術(shù)的不斷優(yōu)化，這款碳纖維增強的4D打印結(jié)構(gòu)，將在航空航天、機器人、醫(yī)療等多個領(lǐng)域創(chuàng)造更多新的可能。