华科大：4D打印材料组合，实现可控的压电转换

2020年3月27日，南极熊注意到学术杂志《Advanced Science》上发表了一篇华中科技大学史玉生教授团队的文章，论文题目为“A Material Combination Concept to Realize 4D Printed Products with Newly Emerging Property/Functionality”，文章提出了一种材料组合概念，来构造属性/功能可控地的4D打印物体。

4D打印是一种新兴技术，打印出的结构形状，特性或功能可以在外部刺激下随时间可控地变化。但是，大多数现有的4D打印产品都只关注其几何形状的变化，而不管其属性以及实用功能的可控变化。

史玉生教授团队再论文中提出了一种材料组合概念，来构造属性/功能可控变化的4D打印装置。 该装置由导电和磁性部件组成，集成后的装置可以显示压电特性。因此，基于电磁引入原理，装置被赋予将机械能转换为电能的能力。

通过使用Comsol软件的数值模拟方法来解释4D打印装置的工作机制，通过调节各种参数来促进其性能的进一步优化。由于具有自供电，快速响应和灵敏的特性，因此4D打印的磁电装置可以用作压力传感器来警告非法入侵。这项工作开启了柔性磁电器件的新制造方法，并为属性更改和功能更改的4D打印提供了新的材料组合概念。

图1

从上图中，我们可以进一步理解作者提出的材料组合概念，零件A是一个多孔结构，使用TPU/NdFeB 混合的材料，通过选择性激光烧结（SLS）工艺制造，零件A经过磁化后可以获得永久磁性；零件B包含两个平板和一个螺旋结构，使用316L不锈钢粉末材料，通过选择性激光熔化（SLM）工艺制造。

将零件A和零件B进行组装，可将机械压力转换为电信号的柔性集成磁电器件。新出现的自供电压电特性在施加的压力下表现出可控的变化。此外，该装置还显示出可以用作压力敏感显示器的新功能。可以通过数值模拟从理论上解释工作机理，通过调节磁粉含量，磁场方向，压缩率和其他因素来促进其性能的进一步优化。由于具有自供电的压电特性，这些柔性磁电设备可以用作智能压力传感器来警告非法入侵。这项工作为4D打印设备的材料和结构设计奠定了基础，该装置除了具有形状变化之外还具有新的特性和功能。它将扩展4D打印领域的众多功能应用，例如柔性传感器。

图2

上图中 a，e示出了具有40wt％ NdFeB含量、尺寸为25×12.5×12.5mm 的磁性多孔结构（零件A）的照片。d显示了其CAD模型。
f 是多孔结构的SEM图像，显示了已打印的TPU / NdFeB网格结构的连接部分，NdFeB粉末均匀地分散在TPU基质支架上。

由于打印的多孔/螺旋设计和TPU材料的弹性，组合的磁电装置可以轻松压缩，然后迅速恢复到原始形状。由于螺旋结构中的磁通量在压缩/恢复过程中发生变化，因此可以产生电输出。

进一步的研究显示，磁化后，具有不同NdFeB含量（20、30和40 wt％），磁场方向（垂直和水平）以及高度（25、20和15 mm）的SLS打印的磁性多孔结构显示出不同的磁感应强度。磁感应强度主要取决于NdFeB粉末的含量。 NdFeB的含量越高，磁场强度越强。如果磁粉含量过度增加（> 40 wt％），则TPU的量将太少而无法制造具有足够机械性能的多孔结构。在40％（重量）的NdFeB磁性多孔结构的北/南极，磁场强度约为11.1 mT。多孔结构的垂直和水平边缘的磁场强度显示出显著差异。这是由于磁化后两个方向上磁力线的密度不同。

与早期报道的将热能转换为机械能的4D打印产品不同，本研究中准备好的4D打印设备显示了将外部机械压力转换为电输出的压电能力，尽管它们的两个部件都不是压电的。由于存在磁性TPU / NdFeB结构，磁场线将穿过磁性部分旁边的导电线圈。在外力驱动的压缩/恢复周期中，线圈中的磁通量会相应变化，从而基于电磁感应原理导致发电。在这个概念中，打印设备的属性以及功能在施加的外部压力下发生了变化，展现了4D打印的概念进步。

图3

当改变多孔结构的磁场方向（以垂直和水平为例）时，柔性磁电器件获得不同的电压输出。结果如上图所示，其中涉及到很多计算公式的推导，研究该领域的熊友请直接查看论文原文。

图4

此外，作者还研究了众多参数变化对该装置的影响，比如：零件B高度的增加肯定会导致输出电压的上升。然后，以NdFeB含量为30 wt％的集成器件为例，将多孔结构和螺旋结构之间的距离d调整为1到3 mm，从而导致进入线圈的磁通量变弱（图4b） 。结果，输出电压从5.7降至2.0 μV（图4d）。此外，还通过将设备高度从25 mm调整为15 mm来研究设备高度的影响（图S4c，S8，支持信息）。高度的降低导致磁粉含量的降低，从而削弱了磁感应强度。因此，输出电压值从5.7降至3.1 μV，如图S8c，支持信息所示。当高度减小时，螺旋结构的圈数也减少。图S8d（支持信息）显示，即使高度发生变化，每个线圈产生的输出电压也几乎等于0.8V。

还详细研究了各种测量参数，例如压缩率和应变。更多细节请查看原文。

结论

在这项工作中，通过组装SLS打印的磁性多孔结构和SLM打印的螺旋结构，实现了一种新型的4D打印。与以前的4D打印品中的形状变形不同，我们的集成4D打印装置在施加的外部压力下显示出可控地改变的压电特性，以及用作自供电压敏显示器的新功能。由于螺旋线中的磁通量变化，组装的磁电装置可以在外部压力下产生电脉冲，从而可用于感知压力。在材料和结构的新颖设计的基础上，由外部压力产生的形状变化导致发电性能的可控变化和新功能的出现。因此，我们实现了三种形式的4D打印，同时包含形状，特性和功能的变化。对于4D打印磁电器件，NdFeB粉末的含量，磁场方向，多孔结构和螺旋结构之间的距离，压缩速度和压缩比等几个参数都会影响磁导率。输出电压值。在最佳条件下，适用于智能自供电压力传感器的集成4D打印设备可以产生11.8 μV的输出电压。相信这项工作可以通过提出一种材料组合概念，为性能改变和功能改变的4D打印奠定基础。我们期待扩展我们的4D打印磁电设备的应用。


论文作者：Hongzhi Wu  Xuan Zhang  Zheng Ma  Ce Zhang  Jingwei Ai  Peng Chen  Chunze Yan  Bin Su Yusheng Shi