《尖端科學》封面+封底：華中科大在4D打印領域取得重要進展

來源：華中科技大學

日前，華中科技大學材料學院史玉升教授團隊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，相關成果以封面文章發(fā)表在《尖端科學》（Advanced Science）上。

為解決傳感/執(zhí)行一體化的難題，史玉升教授團隊受蝎子縫感受器超敏縫結構的啟發(fā)，仿生設計出梯度縫結構，4D打印炭黑納米粒子/聚乳酸（PLA）復合材料，成形出具有自主形變并能自感知應變和溫度的仿生縫結構器件，實現(xiàn)了傳感/執(zhí)行一體化功能，相關成果以封底文章發(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構和導電性的螺旋結構相組合，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

多孔結構由于具有永磁性而能產生磁場，導電性的螺旋結構（相當于導電線圈）處在該磁場中。在磁電器件壓縮/回復的循環(huán)過程中，穿過線圈的磁通量發(fā)生變化，根據法拉第電磁感應定律可知在兩塊平行板之間會產生電壓（原理示意圖如圖2所示，電壓曲線圖如圖3所示）。所以，增材制造構件產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構和導電結構原本均不具備的，因此，增材制造構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打印得以實現(xiàn)。

圖2 4D打印成形柔性磁電器件壓電效應原理示意圖

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、磁電器件壓縮的應變?yōu)?0%時，器件在壓力作用下產生的電壓；（b）一個周期內壓縮過程產生的電壓；（c）一個周期內回復過程產生的電壓

團隊還對該4D打印柔性磁電器件進行了細致的宏微觀結構表征；研究了器件的高度對壓電性能變化的影響規(guī)律；證實了所建立的有限元模型的有效性與仿真模擬的準確性。該研究最大的意義在于4D打印智能構件可通過材料組合來實現(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/結構設計思想和制造方法。

材料學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下完成。

4D打印仿蝎子縫結構，實現(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”，通過材料-結構-功能一體化4D打印，創(chuàng)造性的在材料水平上實現(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復合材料具有良好的導電性能和形狀記憶效應，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變化，使器件電阻改變，從而將熱信號轉變?yōu)殡娮栊盘枌崿F(xiàn)溫度自感知（如圖4所示）；同時，器件在形狀改變過程中，器件縫結構周邊的炭黑納米粒子會接觸-分離，器件內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轉變?yōu)殡娮栊盘枌崿F(xiàn)應變自感知（如圖5所示）。

圖4 溫度感知

圖5 應變感知

基于此，研究者將該仿生4D打印器件應用于模擬手指觸碰手機屏幕（如圖6所示）。在溫度激勵下器件形狀改變，模擬手指主動觸碰屏幕，在這個過程中器件形變引起其縫結構間距的變化使器件整體電阻改變，實現(xiàn)器件形狀變化自感知。在觸碰瞬間，可通過電阻的變化檢測到器件觸碰屏幕的應力，實現(xiàn)觸碰應變自感知。

圖6 應用案例

該研究成果將智能材料、仿生結構和4D打印有機結合，實現(xiàn)了材料水平上傳感/執(zhí)行一體化，為未來機器人等智能裝備的關鍵器件研發(fā)提供了新的思路和途徑。

材料學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下完成。