微气囊膨胀驱动实现快速热响应的4D打印新原理
2020-02-20
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基于智能材料的4D打印技术受到了越来越广泛的关注。现阶段，用于4D打印的智能材料主要有两类：形状记忆材料和可膨胀材料。其中，可膨胀材料的4D打印不需要额外的热编程步骤，可以利用多材料打印工艺一次性集成。遗憾的是，现阶段绝大多数可膨胀材料为水凝胶，其利用材料含水量的变化来实现结构的可逆变形，这种方式响应较慢，且变形较小。
近期EFL团队提出了一种全新的硅胶/液态金属复合材料（TRLME），能够在热刺激下快速地产生可逆变形。TRLME是硅胶、液态金属和酒精混合的复合材料，其中液态金属和酒精微滴均匀的分散在硅胶之中，酒精微滴相当于一系列嵌入在硅胶基底中的微气囊，其在受热时发生相变（汽化）膨胀，从而驱动复合材料变形，液态金属微滴显著提高了复合材料的热响应和力学性能。通过在复合材料中添加纳米二氧化硅，TRLME的可打印性能够被有效地改善，从而能够实现该材料的可靠打印。
除了开发相应的多材料3D打印工艺之外，我们还系统了研究了材料配方和结构参数对打印结构性能的影响，为后续的结构设计提供了指导。打印的双层结构能够在20s的时间内实现近540°的弯曲变形，具有出色的热响应变形性能。最后，我们打印了一系列复杂的结构，展现该材料在构造智能结构和软机器人方面的潜力。
题为“4D Printing of High Performance Thermal Responsive Liquid Metal Elastomers Driven by Embedded Micro Liquid Chambers”的论文已被期刊ACS Applied Materials & Interfaces在线刊登，周璐瑜硕士生为第一作者，叶江浩硕士生为共同一作，贺永教授为通讯作者。
图1.微气囊驱动的液态金属复合材料的材料体系。
图2.微气囊驱动的液态金属复合材料的4D打印。
图3. 4D打印微气囊驱动的液态金属复合材料的结构参数。
图4. 使用微气囊驱动的液态金属复合材料打印的智能结构。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.9b22433
作者：贺永
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