微氣囊膨脹驅(qū)動實現(xiàn)快速熱響應(yīng)的4D打印新原理

作者：賀永
來源：EngineeringForLife

基于智能材料的4D打印技術(shù)受到了越來越廣泛的關(guān)注。現(xiàn)階段，用于4D打印的智能材料主要有兩類：形狀記憶材料和可膨脹材料。其中，可膨脹材料的4D打印不需要額外的熱編程步驟，可以利用多材料打印工藝一次性集成。遺憾的是，現(xiàn)階段絕大多數(shù)可膨脹材料為水凝膠，其利用材料含水量的變化來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的可逆變形，這種方式響應(yīng)較慢，且變形較小。

近期EFL團隊提出了一種全新的硅膠/液態(tài)金屬復(fù)合材料（TRLME），能夠在熱刺激下快速地產(chǎn)生可逆變形。TRLME是硅膠、液態(tài)金屬和酒精混合的復(fù)合材料，其中液態(tài)金屬和酒精微滴均勻的分散在硅膠之中，酒精微滴相當于一系列嵌入在硅膠基底中的微氣囊，其在受熱時發(fā)生相變（汽化）膨脹，從而驅(qū)動復(fù)合材料變形，液態(tài)金屬微滴顯著提高了復(fù)合材料的熱響應(yīng)和力學(xué)性能。通過在復(fù)合材料中添加納米二氧化硅，TRLME的可打印性能夠被有效地改善，從而能夠?qū)崿F(xiàn)該材料的可靠打印。

除了開發(fā)相應(yīng)的多材料3D打印工藝之外，我們還系統(tǒng)了研究了材料配方和結(jié)構(gòu)參數(shù)對打印結(jié)構(gòu)性能的影響，為后續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了指導(dǎo)。打印的雙層結(jié)構(gòu)能夠在20s的時間內(nèi)實現(xiàn)近540°的彎曲變形，具有出色的熱響應(yīng)變形性能。最后，我們打印了一系列復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，展現(xiàn)該材料在構(gòu)造智能結(jié)構(gòu)和軟機器人方面的潛力。

題為“4D Printing of High Performance Thermal Responsive Liquid Metal Elastomers Driven by Embedded Micro Liquid Chambers”的論文已被期刊ACS Applied Materials & Interfaces在線刊登，周璐瑜碩士生為第一作者，葉江浩碩士生為共同一作，賀永教授為通訊作者。

圖1.微氣囊驅(qū)動的液態(tài)金屬復(fù)合材料的材料體系。

圖2.微氣囊驅(qū)動的液態(tài)金屬復(fù)合材料的4D打印。

圖3. 4D打印微氣囊驅(qū)動的液態(tài)金屬復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

圖4. 使用微氣囊驅(qū)動的液態(tài)金屬復(fù)合材料打印的智能結(jié)構(gòu)。

論文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.9b22433