美国高校开发可根据温度改变形状和硬度的4D打印材料

2019-04-22 14:27

2019年4月16日，美国《设计新闻》网站报道称：美国罗格斯大学的研究人员开发的4D打印材料可以在许多应用中根据温度改变形状和硬度。该研究团队由机械和航空航天工程系助理教授、作者豪恩·李（Howon Lee）领导，利用4D打印技术创造了这种柔韧、轻质的材料。研究人员表示，这种材料可用于飞机或无人机机翼、软机器人和植入式生物医学设备的设计。

传统超材料一旦制造出来机械性能和几何形状就固定了，4D打印的超材料增加了可调性、可重构性和可部署性。4D打印以增材制造（3D打印）技术为基础，3D打印将数字模型转化为物理实体，但4D打印更进一步，使用特殊材料和设计来打印随环境条件变化而改变形状的物体。

罗格斯大学团队开发的4D打印材料随温度变形的效果（美国罗格斯大学图片）

罗格斯大学团队在他们的研究中结合了3D打印、形状记忆聚合物和现有的机械超材料，八位元桁架和开尔文泡沫。4D打印的现状侧重于几何变换；而罗格斯团队的4D打印的机械超材料更侧重于机械性能可调。

研究人员表示，罗格斯团队可以利用温度调整他们的材料，使它们在受到撞击时保持刚性，或者变得像海绵一样柔软来吸收震动。在室温和90℃之间的温度条件下，刚度可以调节100倍以上，可以显著减震。

此外，这些材料可根据需求重新成形，例如暂时变形为任何形状，然后在加热时根据需要恢复到原来的形状。可调材料增加了材料的适应性，适用于对机械性能或几何形状有不同要求的工作环境或情况，无需重新设计和制造。它还增加了可部署性等功能，可节省运输成本或穿越狭窄空间。这些材料的适应性使它们非常适合一系列应用，例如飞机或无人机机翼，可改变形状以提高性能；在太空中可伸展的结构，如太阳能电池板；可根据环境和任务变换形状或刚度的软机器人。

下一步的研究包括为超材料找到这样的应用，以及寻找除温度以外的激励来激发形状变化，并开发具有新特性的材料。

（中国航空工业发展研究中心胡燕萍）

本篇供稿：系统工程研究所

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