南科大: 4D打印连续纤维复合材料，充分挖掘结构功能！

能够精确部署控制并实现对其性能的按需调制的主动折纸在多场景和多任务应用中是非常理想的。尽管具有形状记忆复合材料的4D打印有望实现这种主动折纸，但它仍然面临着低承载能力和有限的可转换状态等挑战。与传统组装响应材料方法制造的主动折纸不同，4D打印可以实现主动折纸的一体化成型，且其成本对折痕布局和材料分布的复杂性不敏感。目前，已经有很多基于形状记忆聚合物 (Shape Memory Polymer-SMP) 以及含有功能性填料的形状记忆复合材料的主动折纸通过4D打印构建成功。这些主动折纸大多只能在两种状态之间相互转换，即临时态和永久态，尚未开展对4D打印主动折纸形状变形的过程控制方面的研究，对其高度非线性部署过程的多物理场建模仍存在空缺，使得很多构型未被探索，很多潜力未被开发。此外，相应材料固有的低刚度特性同样限制了4D打印主动折纸的实际工程应用。

3D打印技术参考注意到，南科大熊异助理教授、葛锜教授联合团队提出了一种连续纤维增强复合材料4D打印折纸的精确部署控制策略，用于构建能够按需调控性能的，适用于多场景和多任务应用的高性能主动折纸。相关成果与2024年3月14日以 “Electrothermally controlled origami fabricated by 4D printing of continuous fiber-reinforced composites” 为题，发表在Nature Communications。

该研究围绕主动折纸可部署结构，充分挖掘新兴的纤维复合材料增材制造技术潜能，通过结构设计巧妙地利用连续碳纤维高强度、能导电、传热好的特性实现“一石三鸟”，并提出了基于电-热-机械多物理场仿真模型指导的智能复合材料电控驱动策略，最终获得一种承载能力强、状态可重构、时空可调控、形性可调制的全新高性能电热折纸。研究成果丰富了主动折纸设计-制造-调控一体化理论与方法，为新型超材料结构、多模态机器人、智能可变形飞行器的发展提供了创新路径。

基于连续纤维增强复合材料3D打印技术，该团队通过设计纤维的空间布局从而实现了连续碳纤维增强复合材料折纸的制造，并在铰链处打印连续碳纤维用于电加热激励，通过控制激励电流的时间控制电热折纸锁定在任意构型，连续碳纤维的引入大大提高了折纸的力学性能，其中橡胶态的提升尤为显著，模量从2.0MPa提升到了2.3GPa。

为探讨连续碳纤维通电时间对电热折纸形状变形行为的影响，该团队建立了电-热-机械多物理场耦合的仿真模型并通过实验验证了模型的有效性。通过仿真建立了不同目标展开角度对应的加热时间的指导模型，并以飞机形状的折纸为例展示了具有复杂变形路径的部署过程，该折纸飞机可以实现时空控制，即展开角度可控、局部可控以及顺序可控。

电热折纸的精确控制方法和原理

精确控制电热折纸能够实现可重构。在多物理模型的指导下，通过控制每个铰链的激励时间，同一个折纸条带可以部署到多种构型，包括单层、多层、以及超材料单胞构型。此外，通过巧妙的控制折纸条带的部署顺序，可以赋予折纸额外的功能，例如抓取。

精确控制电热折纸的可重构特性及其功能性抓手

基于精确控制电热Miura折纸的组合数字化架构材料

基于精确控制电热Miura折纸的可变厚度机翼

该研究还展示了利用这种精确控制电热折纸的性能按需调制能力的一些潜在应用：力学性能可调的Miura折纸单胞、力学行为可定制的组合数字架构材料、以及翼型可编程的变厚度机翼。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-46591-3