基于材料組合的4D打印裝置可實(shí)現(xiàn)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能

2020年3月27日，南極熊注意到學(xué)術(shù)雜志《Advanced Science》上發(fā)表了一篇華中科技大學(xué)史玉生教授團(tuán)隊(duì)的文章，論文題目為“A Material Combination Concept to Realize 4D Printed Products with Newly Emerging Property/Functionality”，文章提出了一種材料組合概念，來構(gòu)造屬性/功能可控地的4D打印物體。

4D打印是一種新興技術(shù)，打印出的結(jié)構(gòu)形狀，特性或功能可以在外部刺激下隨時間可控地變化。但是，大多數(shù)現(xiàn)有的4D打印產(chǎn)品都只關(guān)注其幾何形狀的變化，而不管其屬性以及實(shí)用功能的可控變化。

史玉生教授團(tuán)隊(duì)再論文中提出了一種材料組合概念，來構(gòu)造屬性/功能可控變化的4D打印裝置。 該裝置由導(dǎo)電和磁性部件組成，集成后的裝置可以顯示壓電特性。因此，基于電磁引入原理，裝置被賦予將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的能力。

通過使用Comsol軟件的數(shù)值模擬方法來解釋4D打印裝置的工作機(jī)制，通過調(diào)節(jié)各種參數(shù)來促進(jìn)其性能的進(jìn)一步優(yōu)化。由于具有自供電，快速響應(yīng)和靈敏的特性，因此4D打印的磁電裝置可以用作壓力傳感器來警告非法入侵。這項(xiàng)工作開啟了柔性磁電器件的新制造方法，并為屬性更改和功能更改的4D打印提供了新的材料組合概念。

圖1

從上圖中，我們可以進(jìn)一步理解作者提出的材料組合概念，零件A是一個多孔結(jié)構(gòu)，使用TPU/NdFeB 混合的材料，通過選擇性激光燒結(jié)（SLS）工藝制造，零件A經(jīng)過磁化后可以獲得永久磁性；零件B包含兩個平板和一個螺旋結(jié)構(gòu)，使用316L不銹鋼粉末材料，通過選擇性激光熔化（SLM）工藝制造。

將零件A和零件B進(jìn)行組裝，可將機(jī)械壓力轉(zhuǎn)換為電信號的柔性集成磁電器件。新出現(xiàn)的自供電壓電特性在施加的壓力下表現(xiàn)出可控的變化。此外，該裝置還顯示出可以用作壓力敏感顯示器的新功能?？梢酝ㄟ^數(shù)值模擬從理論上解釋工作機(jī)理，通過調(diào)節(jié)磁粉含量，磁場方向，壓縮率和其他因素來促進(jìn)其性能的進(jìn)一步優(yōu)化。由于具有自供電的壓電特性，這些柔性磁電設(shè)備可以用作智能壓力傳感器來警告非法入侵。這項(xiàng)工作為4D打印設(shè)備的材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)，該裝置除了具有形狀變化之外還具有新的特性和功能。它將擴(kuò)展4D打印領(lǐng)域的眾多功能應(yīng)用，例如柔性傳感器。

圖2

上圖中 a，e示出了具有40wt％ NdFeB含量、尺寸為25×12.5×12.5mm 的磁性多孔結(jié)構(gòu)（零件A）的照片。d顯示了其CAD模型。

f 是多孔結(jié)構(gòu)的SEM圖像，顯示了已打印的TPU / NdFeB網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的連接部分，NdFeB粉末均勻地分散在TPU基質(zhì)支架上。

由于打印的多孔/螺旋設(shè)計(jì)和TPU材料的彈性，組合的磁電裝置可以輕松壓縮，然后迅速恢復(fù)到原始形狀。由于螺旋結(jié)構(gòu)中的磁通量在壓縮/恢復(fù)過程中發(fā)生變化，因此可以產(chǎn)生電輸出。

進(jìn)一步的研究顯示，磁化后，具有不同NdFeB含量（20、30和40 wt％），磁場方向（垂直和水平）以及高度（25、20和15 mm）的SLS打印的磁性多孔結(jié)構(gòu)顯示出不同的磁感應(yīng)強(qiáng)度。磁感應(yīng)強(qiáng)度主要取決于NdFeB粉末的含量。 NdFeB的含量越高，磁場強(qiáng)度越強(qiáng)。如果磁粉含量過度增加（》 40 wt％），則TPU的量將太少而無法制造具有足夠機(jī)械性能的多孔結(jié)構(gòu)。在40％（重量）的NdFeB磁性多孔結(jié)構(gòu)的北/南極，磁場強(qiáng)度約為11.1 mT。多孔結(jié)構(gòu)的垂直和水平邊緣的磁場強(qiáng)度顯示出顯著差異。這是由于磁化后兩個方向上磁力線的密度不同。

與早期報(bào)道的將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的4D打印產(chǎn)品不同，本研究中準(zhǔn)備好的4D打印設(shè)備顯示了將外部機(jī)械壓力轉(zhuǎn)換為電輸出的壓電能力，盡管它們的兩個部件都不是壓電的。由于存在磁性TPU / NdFeB結(jié)構(gòu)，磁場線將穿過磁性部分旁邊的導(dǎo)電線圈。在外力驅(qū)動的壓縮/恢復(fù)周期中，線圈中的磁通量會相應(yīng)變化，從而基于電磁感應(yīng)原理導(dǎo)致發(fā)電。在這個概念中，打印設(shè)備的屬性以及功能在施加的外部壓力下發(fā)生了變化，展現(xiàn)了4D打印的概念進(jìn)步。

圖3

當(dāng)改變多孔結(jié)構(gòu)的磁場方向（以垂直和水平為例）時，柔性磁電器件獲得不同的電壓輸出。結(jié)果如上圖所示，其中涉及到很多計(jì)算公式的推導(dǎo)，研究該領(lǐng)域的熊友請直接查看論文原文。

圖4

此外，作者還研究了眾多參數(shù)變化對該裝置的影響，比如：零件B高度的增加肯定會導(dǎo)致輸出電壓的上升。然后，以NdFeB含量為30 wt％的集成器件為例，將多孔結(jié)構(gòu)和螺旋結(jié)構(gòu)之間的距離d調(diào)整為1到3 mm，從而導(dǎo)致進(jìn)入線圈的磁通量變?nèi)酰▓D4b） 。結(jié)果，輸出電壓從5.7降至2.0 μV（圖4d）。此外，還通過將設(shè)備高度從25 mm調(diào)整為15 mm來研究設(shè)備高度的影響（圖S4c，S8，支持信息）。高度的降低導(dǎo)致磁粉含量的降低，從而削弱了磁感應(yīng)強(qiáng)度。因此，輸出電壓值從5.7降至3.1 μV，如圖S8c，支持信息所示。當(dāng)高度減小時，螺旋結(jié)構(gòu)的圈數(shù)也減少。圖S8d（支持信息）顯示，即使高度發(fā)生變化，每個線圈產(chǎn)生的輸出電壓也幾乎等于0.8V。

還詳細(xì)研究了各種測量參數(shù)，例如壓縮率和應(yīng)變。更多細(xì)節(jié)請查看原文。

結(jié)論

在這項(xiàng)工作中，通過組裝SLS打印的磁性多孔結(jié)構(gòu)和SLM打印的螺旋結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了一種新型的4D打印。與以前的4D打印品中的形狀變形不同，我們的集成4D打印裝置在施加的外部壓力下顯示出可控地改變的壓電特性，以及用作自供電壓敏顯示器的新功能。由于螺旋線中的磁通量變化，組裝的磁電裝置可以在外部壓力下產(chǎn)生電脈沖，從而可用于感知壓力。在材料和結(jié)構(gòu)的新穎設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，由外部壓力產(chǎn)生的形狀變化導(dǎo)致發(fā)電性能的可控變化和新功能的出現(xiàn)。因此，我們實(shí)現(xiàn)了三種形式的4D打印，同時包含形狀，特性和功能的變化。對于4D打印磁電器件，NdFeB粉末的含量，磁場方向，多孔結(jié)構(gòu)和螺旋結(jié)構(gòu)之間的距離，壓縮速度和壓縮比等幾個參數(shù)都會影響磁導(dǎo)率。輸出電壓值。在最佳條件下，適用于智能自供電壓力傳感器的集成4D打印設(shè)備可以產(chǎn)生11.8 μV的輸出電壓。相信這項(xiàng)工作可以通過提出一種材料組合概念，為性能改變和功能改變的4D打印奠定基礎(chǔ)。我們期待擴(kuò)展我們的4D打印磁電設(shè)備的應(yīng)用。

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