多功能複合材料由于其優異的材料性能和對外界刺激所表現出的動态響應功能而得到了廣泛的研究與應用，4D 列印的快速發展也在不斷地推進多功能複合材料的更新疊代。而在4D列印長纖維增強型複合材料方面還面臨的很大的挑戰。
近日，科羅拉多大學丹佛分校于凱教授團隊提出了一種新穎的4D列印方法來制造長纖維增強型液晶彈性體複合材料。圖1(a) 展示了定制的4D列印裝置；在這套4D列印裝置中，長纖維順着針筒穿過列印針頭延伸到列印台面上；在列印針頭移動的過程中，由于液晶彈性低聚物樹脂的粘性，長纖維需要施加一定的剪應力方能将樹脂拉出列印針頭；這部分的剪應力會将原先在針筒裡無序排列的液晶元沿着長纖維方向定向，而這些被定向的液晶元在出列印針頭的時候會被紫外光快速的硬化，進而形成單疇區(monodomain)液晶彈性體。圖1(b) 展示了液晶元被定向的原理示意圖。圖2展示了合成液晶彈性體樹脂所用到的材料化學結構。該工作以“4d printing of liquid crystal elastomer composites with continuous fiber” 為題發表在《Nature Communications》上，文章第一作者是科羅拉多大學丹佛分校博後蔣歡博士。
圖1: (a) 4D列印裝置示意圖 (b) 液晶元的定向機理示意圖
圖2 合成液晶彈性體樹脂的材料化學結構
單疇區(monodomain)液晶彈性體複合材料的優勢之一是其可逆的對熱環境下的動态響應。單疇區(monodomain)液晶彈性體在遇熱情況下會收縮，但是由于長纖維的存在，其高模量會抑制液晶彈性體的收縮，進而産生彎曲這種變形模式。通過提前設計長纖維的排列方式和列印的拓撲結構，所列印的複合材料可以得到比較複雜和可調節的變形模态。這種可調控的變形模式也為廣泛的應用前景提供了支援。圖3 展示了不同幾何形狀和纖維排列方式在熱環境下的變形響應。
圖3 不同幾何形狀和纖維排列方式在熱環境下的變形響應除了在熱環境下的變形響應之外，長纖維增強型液晶彈性體複合材料的另一大優勢是其出色的力學性能。圖4 展示了不同的長纖維增強型液晶彈性體複合材料的力學性能。就縱向力學表現來說，相比于純的單疇區(monodomain)液晶彈性體，長纖維增強型液晶彈性體複合材料的彈性模量要高出3到4個數量級。就橫向性質來說，長纖維增強型液晶彈性體複合材料的吸能表現比傳統的單疇區(monodomain)液晶彈性體高出9到15倍。這種顯著的力學性能提升也大大拓展了其應用前景。
圖4 不同的長纖維增強型液晶彈性體複合材料的力學性能最後，利用導電纖維的特性，該工作展示了在電刺激下的纖維增強型液晶彈性體複合材料的驅動效果，如圖5所示。在施加5V的電壓情況下，由于焦耳熱效應，所做的複合材料樣品會在短時間内表現出驅動能力。通過設計纖維的走向和分布，所列印的複合材料可以展示出不同的驅動效果。
圖5 電刺激下的纖維增強型液晶彈性體複合材料的驅動效果原文連結：https://www.nature.com/articles/s41467-024-52716-5來源：高分子科學前沿