南方科技大学《CST》：4D 打印高强度自锁式折纸复合材料
南方科技大学《CST》：4D 打印高强度自锁式折纸复合材料
4D打印技术作为3D打印技术的延伸，能够在时间和空间维度上实现材料的智能变形和功能响应。主动折纸作为一种能够响应外部刺激改变形状和性质的折纸结构，近年来在各个领域展现出巨大的应用潜力。然而，现有研究主要集中在聚合物基刺激响应材料，由于材料本身刚度低，机械性能较差，限制了其在工程应用中的探索。
近日，《Composites Science and Technology》期刊发表了一篇由南方科技大学系统设计与智能制造学院研究团队完成有关4D 打印高强度自锁式 Miura-ori 复合材料的研究成果。该研究提出了一种基于 4D 打印技术的连续纤维增强型自锁定Miura-ori折纸复合材料（SLMO）的设计与制造方法，该材料具有优异的能量吸收能力和循环性能，在可变形机器人、自适应服装等领域具有广阔的应用前景。
图1 连续纤维增强Miura ori复合材料的制造过程：（a）打印过程；（b） 3D打印机的复合共挤出喷嘴；（c） 折纸铰链设计示意图。
该研究采用材料挤出（MEX）基于 4D 打印技术，成功制造了连续纤维增强形状记忆聚合物（CF-SMP）复合材料，并设计了一种新型三维自锁Miura-ori折纸（SLMO）结构。SLMO 结构由Miura-ori折纸单元和高度可拉伸的底部阻挡板组成，Miura-ori折纸单元在外部刺激和阻挡板约束下主动变形并锁定到预定的配置中。研究人员通过动态力学分析、单轴拉伸测试、单轴压缩测试和循环能量吸收测试，评估了材料的力学性能和结构性能。
图4 SLMO结构的变形机制：（a）SLMO结构在压缩载荷下的推拉变形模式示意图；（b） 结构剖面图；（c） 结构的受力分析；（d） 几何形状和变形的高度变化
实验结果表明，SLMO 结构表现出优异的力学循环性，在第十次压缩循环中仍具有较高的比吸能（SEA）。与其他细胞结构或米谷折纸结构相比，SLMO 结构在吸能性、变形性、相对密度、制造简单性、循环性和可折叠性方面具有优势，为高能量吸收材料的开发和应用提供了新的思路。
图7 SLMO结构与通过不同工艺制造的其他蜂窝或Miura-ori结构之间的SEA、变形性、相对密度、制造简单性、循环性和可折叠性的比较。
这项研究提出了一种基于 4D 打印的连续纤维增强型自锁Miura-ori复合材料，克服了现有主动折纸机械性能差的缺点，并通过引入底部限位板实现了精确的形状控制。SLMO 结构具有高强度、高能量吸收、可折叠性和可控性等优点，在能量吸收、机器人、可穿戴设备和建筑等领域具有广阔的应用前景。这项研究为构建高性能的主动折纸开辟了新的道路，并有望在未来的工程应用中发挥重要作用。
原始文献：
Wang, Y., Cao, Y., Zhou, L., & Xiong, Y. (2024). 4D printed continuous fiber-reinforced self-locking Miura-ori composites with high energy absorption and cyclability. Composites Science and Technology, 258, 110851.