国际新研发：想象过会变形的叶片吗？瑞典诞生会变形碳纤维！_国际动态_行业资讯

想象一下，改变形状以在风速变化时获得大效率的风力涡轮机叶片，或者在没有液压舵和副翼的情况下弯曲和改变自身形状的飞机机翼。这是瑞典研究人员发现的碳纤维材料的两种潜在用途。

KTH皇家理工学院的研究人员在美国科学院院刊近发表的概念验证研究中证明了固态碳纤维复合材料能够借助电子脉冲来改变形式。

该文作者Daniel Zenkert说，该材料展示了变形材料的所有优点，而没有妨碍其他开发工作的缺点，如重量和机械刚度不足。

Daniel Zenkert说：

“先进的变形技术，可以用于机器人和卫星吊杆，依赖于重型机械马达，液压和气动泵系统，或螺线管来创造形状变化。这些机械复杂的系统增加了所谓的 “寄生重量”且维护成本高。降低机械复杂性的一种方法是使用固态变形材料。我们开发了一个全新的概念，它重量轻，比铝更硬，并且材料会通过电流改变形状。这种材料能够产生大的变形，并且即使在低速率下也不会产生额外的变形。”

悬臂设置中的固态碳纤维复合变形材料。（A）SEM图像以及碳纤维和SBE的示意图。（B）复合材料由两层单向锂激活碳纤维层和一层陶瓷基锂离子电池隔板层组成。所有这三层都嵌入在SBE中。还显示了使用光学显微镜捕获的材料的代表性横截面。（C）通过施加电流，锂离子从一个碳纤维层排放到另一碳纤维层，导致放电层在纤维方向上收缩，并且充电层膨胀。这产生整体弯曲变形。

该复合材料由三层组成-其中两层是在薄隔板的每一侧上掺杂锂离子的商用碳纤维。当碳纤维层各自具有相等的离子分布时，该材料是直的。随着电流的加入，锂离子从一侧迁移到另一侧，导致材料弯曲。逆转电流可使材料恢复到平衡状态并恢复其先前的未弯曲形式。

碳纤维复合变形材料的制造工艺。（A）在模具上放置两层单向碳纤维层和一层陶瓷隔板层。铜集电器附接到碳纤维层。（B）用真空密封膜和胶带密封叠层，并在真空下将SBE注入三层中，然后在90°C加热固化45分钟。（C）固化后的三层复合材料，密度约为1600 kgm-3，已准备好进行活化处理。（D）两层锂金属箔用作锂离子源，并置于复合材料的任一侧，由浸有液体电解质的玻璃纤维纸层隔开。然后将其在真空下密封在袋内。在Li箔和碳纤维之间施加电流（18.6 mAg-1），并且碳纤维层多次充电/放电，然后再以50％的充电状态充电。（E）将复合材料从袋中取出并夹紧以形成悬臂。在两个碳纤维层之间施加电流，在-1.5至1.5 V之间对层充电/放电，导致悬臂弯曲。

Zenkert说：

“我们使用结构性电池已有一段时间了，例如碳纤维复合材料也像锂离子电池一样可以存储能量。现在，我们进一步开展了工作。我们希望这将为完全通过电气控制改变形状的材料带来全新的概念，而且这些材料又轻又坚固。”

研究人员现在正与其他在使用过程中耗能更少的轻质和结构材料一起前进，其终目标是提高资源效率和可持续性。

实验显示了在悬臂设置中变形的碳纤维复合材料。在截止电压为-1.5和1.5 V的碳纤维层之间施加电流。这导致Li从一个碳纤维层转移到另一碳纤维层。当充电的碳纤维达到较高的充电状态时，它会在纤维方向上膨胀，而正在放电的碳纤维层会收缩，从而产生弯曲变形。碳纤维层之间的电位差和悬臂尖端位移均显示为时间的函数。还显示了显示变形材料位移的图像。对于48 mm的悬臂长度，对于79.6 mAhg-1的电荷转移，大针尖位移达到35 mm。样品的平均层厚为：碳纤维53.4μm，隔板21.0μm。

悬臂设置中碳纤维复合变形材料的尖端位移和曲率与电荷变化的实验，分析预测和FE模型预测之间的比较。此处的样品平均层厚为：碳纤维40.4μm，隔板21.3μm，悬臂长度为59 mm。