4D打印技术现已成为增材制造技术的重要分支，属于智能制造的范畴，它是增材制造构件形状、性能或者功能在外界环境的刺激下随时间或空间发生可控变化的技术，具有自感知、自执行的智能化特点。然而，目前大部分关于4D打印的研究集中在构件形状的变化，对于性能和功能的变化鲜有报道，尚缺少可靠的研究思路；除此之外，现有智能器件的感知与执行往往是相互独立的，在材料水平上实现传感/执行一体化已成为新的发展趋势，同时也是一个具有挑战性的难题。
为此，在开云官方入口下载APP下载“4D打印”学术前沿青年团队项目的支持下，史玉升教授团队提出材料组合的思想制备柔性4D打印器件，为性能变化、功能变化的4D打印提供了新的思路和方法，相关成果以封面文章发表在Advanced Science上；为解决传感/执行一体化的难题，史玉升教授团队受蝎子缝感受器超敏缝结构的启发，仿生设计出梯度缝结构，4D打印炭黑纳米粒子/聚乳酸（PLA）复合材料，成形出具有自主形变并能自感知应变和温度的仿生缝结构器件，实现了传感/执行一体化功能，相关成果以封面文章发表在Advanced Science上。
1、材料组合思想增材制造磁电器件实现变性能、变功能4D打印
封面文章题为“A material combination concept to realize 4D printed products with newly-emerging property/functionality”，采用了一种全新的磁电材料组合的思想，将增材制造的磁性多孔结构和导电性的螺旋结构相组合，得到4D打印成形的柔性磁电器件，制备流程如图1所示。
图1 4D打印柔性磁电器件制备流程
多孔结构由于具有永磁性而能产生磁场，导电性的螺旋结构（相当于导电线圈）处在该磁场中。在磁电器件压缩/回复的循环过程中，穿过线圈的磁通量发生变化，根据法拉第电磁感应定律可知在两块平行板之间会产生电压（原理示意图如图2所示，电压曲线图如图3所示）。所以，增材制造构件产生了压电性能和感知外界压力的功能，而这种性能和功能是磁性多孔结构和导电结构原本均不具备的，因此，增材制造构件的性能和功能均发生了变化，从而使变性能、变功能的4D打印得以实现。
图2 4D打印成形柔性磁电器件压电效应原理示意图
图3 4D打印成形柔性磁电器件在外力作用下产生的电压曲线图 (a) 磁粉含量为40 wt%、压缩速率为50 mm/s、磁电器件压缩的应变为20%时，器件在压力作用下产生的电压；（b）一个周期内压缩过程产生的电压；（c）一个周期内回复过程产生的电压
他们还对该4D打印柔性磁电器件进行了细致的宏微观结构表征；研究了器件的高度对压电性能变化的影响规律；证实了所建立的有限元模型的有效性与仿真模拟的准确性。该研究最大的意义在于4D打印智能构件可通过材料组合来实现，丰富了变形、变性能、变功能的4D打印研究思路，也为磁电器件提供了新的材料/结构设计思想和制造方法。
开云官方入口下载APP下载博士生伍宏志为论文第一作者，在史玉升教授、闫春泽教授和苏彬教授的指导下完成。
2、4D打印仿蝎子缝结构，实现传感-执行一体化
封面文章题为“4D Printing Strain Self‐Sensing and Temperature Self‐Sensing Integrated Sensor-Actuator with Bioinspired Gradient Gaps”，通过材料-结构-功能一体化4D打印，创造性的在材料水平上实现了传感/执行一体化功能。传感/执行一体化原理：炭黑纳米粒子/PLA复合材料具有良好的导电性能和形状记忆效应，该材料的4D打印器件加热后可发生可控形状变化。在加热过程中，由于炭黑纳米粒子与PLA的膨胀率不同，炭黑纳米粒子间的距离改变引起电子遂穿效应变化，使器件电阻改变，从而将热信号转变为电阻信号实现温度自感知（如图4所示）；同时，器件在形状改变过程中，器件缝结构周边的炭黑纳米粒子会接触-分离，器件内局部接触电阻变化使器件的电阻改变，从而将自身形变信号转变为电阻信号实现应变自感知（如图5所示）。
图4 温度感知
图5 应变感知
基于此，研究者将该仿生4D打印器件应用于模拟手指触碰手机屏幕（如图6所示）。在温度激励下器件形状改变，模拟手指主动触碰屏幕，在这个过程中器件形变引起其缝结构间距的变化使器件整体电阻改变，实现器件形状变化自感知。在触碰瞬间，可通过电阻的变化检测到器件触碰屏幕的应力，实现触碰应变自感知。
图6 应用案例
该研究成果将智能材料、仿生结构和4D打印有机结合，实现了材料水平上传感/执行一体化，为未来机器人等智能装备的关键器件研发提供了新的思路和途径。
开云官方入口下载APP下载陈道兵博士为论文第一作者，在史玉升教授、文世峰副教授和周燕副教授的指导下完成。
