4D打印結(jié)構(gòu)能夠在外界刺激下產(chǎn)生可編程的形狀及性能變化，因而在航空航天、軟體機器人、生物醫(yī)療等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，當(dāng)前的4D打印結(jié)構(gòu)通常無法兼顧大變形能力和力學(xué)承載能力，無法實現(xiàn)多功能融合。
西安交通大學(xué)科研團隊利用液晶彈性體的可逆熱致伸縮變形能力，結(jié)合連續(xù)纖維材料的優(yōu)異力學(xué)性能，提出一種基于連續(xù)纖維增強液晶彈性體的直寫4D打印方法，液晶彈性體復(fù)合材料內(nèi)部嵌入的連續(xù)纖維起到了顯著增強力學(xué)性能以及實現(xiàn)彎曲變形效果的作用。該打印方法能夠通過調(diào)控纖維在復(fù)合材料絲材內(nèi)部的偏置位置實現(xiàn)打印結(jié)構(gòu)可控的承載特性及變形形態(tài)。打印的液晶復(fù)合材料可以承受高達其自身重量2805倍的載荷，并在150 ℃條件下實現(xiàn)0.33 mm-1的彎曲曲率。利用這一工藝制備了具有承載能力以及變形能力的復(fù)合材料桁架結(jié)構(gòu)，解決了傳統(tǒng)4D打印結(jié)構(gòu)力學(xué)承載性能差的難題。研究成果以《具有可編程空間變形能力的可控偏置連續(xù)纖維/液晶彈性體復(fù)合材料4D打印》（Programmable Spatial Deformation by Controllable Off-center Freestanding 4D Printing of Continuous Fiber Reinforced Liquid Crystal Elastomer Composites）為題發(fā)表在期刊《自然通訊》（Nature Communications）上，論文第一作者是西安交通大學(xué)博士生王清瑞，田小永教授為唯一通訊作者，論文作者還有李滌塵教授、博士生張道康、碩士生周艷麗，西安交通大學(xué)為唯一完成單位。
圖1 連續(xù)纖維增強液晶彈性體復(fù)合材料4D打印
連續(xù)碳纖維具有良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能和極低的熱膨脹系數(shù)，研究團隊利用與其樹脂基體的熱膨脹系數(shù)差異明顯，提出了一種基于連續(xù)碳纖維的熱變形可調(diào)諧超表面的設(shè)計與4D打印方法，通過連續(xù)纖維復(fù)合材料手性結(jié)構(gòu)設(shè)計，將復(fù)合材料和熱塑性樹脂分區(qū)沉積成形，基于理論計算、有限元分析和實驗揭示了結(jié)構(gòu)參數(shù)對熱變形和電磁頻率控制的影響規(guī)律。所制備超表面結(jié)構(gòu)的最大熱膨脹系數(shù)測量值達到了1333×10-6K-1，實現(xiàn)了等效熱變形前后的超表面對-1 dB電磁波透射頻段28.1%的偏移，該方法為空間天線結(jié)構(gòu)在軌電磁性能調(diào)控提供了一個新思路。研究成果以《4D打印連續(xù)纖維熱控超表面》（4D printed thermally tunable metasurface with continuous carbon fiber）為題發(fā)表在《虛擬與物理原型》（Virtual and Physical Prototyping）上，論文第一作者是西安交通大學(xué)博士生康友偉，田小永教授為唯一通訊作者，論文作者還有西安交通大學(xué)李滌塵教授、吳玲玲副教授，航天五院西安分院馬小飛研究員等。
圖2 連續(xù)纖維復(fù)合材料可調(diào)諧超表面4D打印
論文研究得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃、西安交大青年拔尖人才支持計劃，以及西安交大分析測試中心的大力支持。研究團隊在連續(xù)纖維增強復(fù)合材料3D/4D打印開展深入研究與應(yīng)用推廣，2020年支撐了我國首次也是國際首次太空3D打印實驗，通過創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、校企聯(lián)合，開發(fā)連續(xù)纖維3D打印工藝裝備，推動復(fù)合材料增材制造技術(shù)的產(chǎn)學(xué)研用深度融合發(fā)展。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-023-39566-3
https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/17452759.2023.222429
