[发明专利]一种可编程连续纤维复合材料智能结构的4D打印方法

说明书

本发明公开了一种可编程连续纤维复合材料智能结构的4D打印方法。依据该4D打印方法设计的智能结构包括连续纤维复合材料层和微纳导电线路，导电线路位于连续纤维复合材料层间，连续纤维复合材料和导电线路采用4D打印一体化成形。

技术领域

本发明涉及4D打印技术领域，具体涉及一种可编程连续纤维复合材料智能结构的4D打印方法。

背景技术

近年来，4D打印方法及相关材料、技术快速发展，出现了连续纤维复合材料的4D打印方法，这种方法使用连续纤维嵌入柔性基体的手段，可以使复合材料具有热致变形的能力。连续纤维走向的控制要比短纤维走向的控制更加方便、精确，并且，高性能纤维增强复合材料具备高比强度、高比模量、可设计性强及可实现多功能融合等特性，被广泛应用于航空航天等领域，使得复合材料智能结构的4D打印方法不仅具有重要的科学价值，更具有重要的国防战略意义。

但是目前的连续纤维复合材料4D打印方法制备的打印件只能产生单一的变形动作，不能实现复合材料多动作及复杂结构的可编程变形，这使得连续纤维复合材料4D打印件难以满足可编程精细化复杂化智能结构制造的需要。如专利CN108943701A公开了一种可控变形的连续纤维嵌入复合材料的4D打印方法，通过求解所要变形的曲面的主曲率及主曲率线，进而求解纤维轨迹线，按照求解得到的路径打印由树脂和连续纤维组成的材料，将打印件进行热处理，复合材料就可以变形成预期的形状，此发明虽然实现了连续纤维复合材料4D打印件可展曲面形状的可控变形，但由于加热方式限制，只能实现单一变形动作，无法实现复杂结构的可编程控制变形。

发明内容

为了克服现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种可编程连续纤维复合材料智能结构的4D打印方法。结合连续纤维复合材料热致变形特点及微纳制造打印，相应设计可编程连续纤维复合材料智能结构的4D打印方法，当连续纤维和基体材料的热膨胀系数有较大差异，可实现复合材料结构的热致变形，再给连续纤维复合材料层间打印导电线路，改变各部分导电线路的通电顺序，以及变形部位导电线路的排布，来控制变形体的变形速率及变形顺序，实现连续纤维复合材料复杂结构的可编程变形。

为了实现上述目的，本发明提供了一种可编程连续纤维复合材料智能结构的4D打印方法。所述方法包括以下步骤：

(1)根据变形体结构尺寸，利用计算机辅助设计软件，建立连续纤维复合材料结构的三维模型；

(2)依据变形部位的变形特征，对连续纤维复合材料智能结构进行子区域划分，为子区域选择连续纤维复合材料或纯基体材料；

(3)依据变形部位的形状特征、变形速率和变形角度来设计导电线路形状；

(4)依据各区域材料的不同，选择不同的打印喷头，设计相应的工艺参数，根据纤维和导电线路走向，规划打印路径，生成与连续纤维复合材料、微纳制造多功能3D打印机相匹配的数据文件；

(5)将步骤(4)的数据文件导入连续纤维复合材料、微纳制造多功能3D打印机，依据各区域的划分及材料选择完成3D打印一体化成形；

(6)依据变形部位的变形顺序，依次给各变形部位通电，产生焦耳热，由于各部位的加热顺序不同，各部位按照预定顺序完成弯曲变形，导电线路的排布方式和层数不同，实现变形部位不同的变形速率和变形角度。

在本申请的一些实施例中，所述的连续纤维为碳纤维、芳纶纤维、聚乙烯纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、聚酰亚胺纤维、金属纤维、SiC纤维、导电高分子纤维、聚对苯撑苯并双噁唑纤维、硼纤维、石墨纤维、氮化硅纤维、黄麻纤维、苎麻纤维、亚麻纤维、竹纤维中的一种或多种。