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纸基MWCNTs/PLA复合材料双层形变驱动器3D打印

纸基MWCNTs/PLA复合材料双层形变驱动器3D打印

供稿人:罗盟 田小永   发布日期:2018-11-27
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随着近十年来3D打印的迅猛发展,对于这个新的制造方法,人们显然不再单单满足于对其便捷制造且高精高强的基本性能需求了,而其中,“功能性制造”则不由分说的侵蚀着3D打印的旧地盘,在百花齐放的3D时代为自己争取出了一片独一无二的领地,而其中4D打印便俨然悄悄在此释放着其璀璨的新能量。

许多3D打印的结构件能够在光强、温度、磁场、湿度等外界环境刺激下发生形状、体积、颜色等多种随时间的变化,我们将这一类材料或结构的3D打印技术称之为4D打印。

2018年1月,来自中国科学院兰州化学物理研究所和兰州科技大学的科研人员便进一步利用FDM技术在纸基上打印多壁碳纳米管(MWCNTs)增强聚乳酸(PLA)的复合材料实现迅速的光热响应[1],从而控制整体制件的形变,实现预计的驱动效果,如图1。

图1 3D打印纸基MWCNT/PLA复合材料及变形机理示意图

研究发现,在近红外波长的光刺激下,纸基MWCNTs/PLA的双层复合材料表现出了极为灵敏的光敏反应,同时对其响应温度进行监测,发现最大变形温度略高于PLA玻璃化转变温度而远远低于其熔点温度,使得制件整体在保证较好的力学性能的同时,又能非常完美的实现变形后形状恢复。为了模拟花朵向阳而开的特性,研究人员制备了如图2的类花朵的纸基复合材料,其迅速的变形响应也证实了MWCNTs和PLA这些常用于3D打印的增强材料和基体材料在4D打印中的发展潜力。同样,包含自西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室的研究人员利用连续碳纤维和尼龙进行4D打印研究[2]等,许多学者在该领域的新兴研究也都为普通材料在医药领域、柔性驱动和制造等方面的智能化设计及应用提供了巨大的潜力佐证。

图2 纸基MWCNTs/PLA复合材料模拟花朵“向阳而开”

参考文献:

  1. Hua D , Zhang X , Ji Z , et al. 3D Printing of Shape Changing Composites for Constructing Flexible Paper-Based Photothermal Bilayer Actuator[J]. Journal of Materials Chemistry C, 2018, 6(8).
  2. Programmable morphing composites with embedded continuous fibers by 4D printing[J]. Materials & Design, 2018, 155:404-413.