科罗拉多大学丹佛分校于凯团队《自然·通讯》: 4D 打印长纤维增强型液晶弹性复合材料

多功能复合材料由于其优异的材料性能和对外界刺激所表现出的动态响应功能而得到了广泛的研究与应用，4D 打印的快速发展也在不断地推进多功能复合材料的更新迭代。而在4D打印长纤维增强型复合材料方面还面临的很大的挑战。

近日，科罗拉多大学丹佛分校于凯教授团队提出了一种新颖的4D打印方法来制造长纤维增强型液晶弹性体复合材料。图1(a) 展示了定制的4D打印装置；在这套4D打印装置中，长纤维顺着针筒穿过打印针头延伸到打印台面上；在打印针头移动的过程中，由于液晶弹性低聚物树脂的粘性，长纤维需要施加一定的剪应力方能将树脂拉出打印针头；这部分的剪应力会将原先在针筒里无序排列的液晶元沿着长纤维方向定向，而这些被定向的液晶元在出打印针头的时候会被紫外光快速的硬化，从而形成单畴区(monodomain)液晶弹性体。图1(b) 展示了液晶元被定向的原理示意图。图2展示了合成液晶弹性体树脂所用到的材料化学结构。该工作以“4d printing of liquid crystal elastomer composites with continuous fiber” 为题发表在《Nature Communications》上，文章第一作者是科罗拉多大学丹佛分校博后蒋欢博士。

图1: (a) 4D打印装置示意图 (b) 液晶元的定向机理示意图

图2 合成液晶弹性体树脂的材料化学结构

单畴区(monodomain)液晶弹性体复合材料的优势之一是其可逆的对热环境下的动态响应。单畴区(monodomain)液晶弹性体在遇热情况下会收缩，但是由于长纤维的存在，其高模量会抑制液晶弹性体的收缩，从而产生弯曲这种变形模式。通过提前设计长纤维的排列方式和打印的拓扑结构，所打印的复合材料可以得到比较复杂和可调节的变形模态。这种可调控的变形模式也为广泛的应用前景提供了支持。图3 展示了不同几何形状和纤维排列方式在热环境下的变形响应。

图3 不同几何形状和纤维排列方式在热环境下的变形响应

除了在热环境下的变形响应之外，长纤维增强型液晶弹性体复合材料的另一大优势是其出色的力学性能。图4 展示了不同的长纤维增强型液晶弹性体复合材料的力学性能。就纵向力学表现来说，相比于纯的单畴区(monodomain)液晶弹性体，长纤维增强型液晶弹性体复合材料的弹性模量要高出3到4个数量级。就横向性质来说，长纤维增强型液晶弹性体复合材料的吸能表现比传统的单畴区(monodomain)液晶弹性体高出9到15倍。这种显著的力学性能提升也大大拓展了其应用前景。

图4 不同的长纤维增强型液晶弹性体复合材料的力学性能

最后，利用导电纤维的特性，该工作展示了在电刺激下的纤维增强型液晶弹性体复合材料的驱动效果，如图5所示。在施加5V的电压情况下，由于焦耳热效应，所做的复合材料样品会在短时间内表现出驱动能力。通过设计纤维的走向和分布，所打印的复合材料可以展示出不同的驱动效果。

图5 电刺激下的纤维增强型液晶弹性体复合材料的驱动效果

https://www.nature.com/articles/s41467-024-52716-5

来源：高分子科学前沿

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