國際新研發：想象過會變形的葉片嗎？瑞典誕生會變形碳纖維！
想象一下，改變形狀以在風速變化時獲得大效率的風力渦輪機葉片，或者在沒有液壓舵和副翼的情況下彎曲和改變自身形狀的飛機機翼。這是瑞典研究人員發現的碳纖維材料的兩種潛在用途。
KTH皇家理工學院的研究人員在美國科學院院刊近發表的概念驗證研究中證明了固態碳纖維復合材料能夠借助電子脈沖來改變形式。
該文作者Daniel Zenkert說，該材料展示了變形材料的所有優點，而沒有妨礙其他開發工作的缺點，如重量和機械剛度不足。
Daniel Zenkert說：
“先進的變形技術，可以用于機器人和衛星吊桿，依賴于重型機械馬達，液壓和氣動泵系統，或螺線管來創造形狀變化。這些機械復雜的系統增加了所謂的 “寄生重量”且維護成本高。降低機械復雜性的一種方法是使用固態變形材料。我們開發了一個全新的概念，它重量輕，比鋁更硬，并且材料會通過電流改變形狀。這種材料能夠產生大的變形，并且即使在低速率下也不會產生額外的變形。”
懸臂設置中的固態碳纖維復合變形材料。（A）SEM圖像以及碳纖維和SBE的示意圖。（B）復合材料由兩層單向鋰激活碳纖維層和一層陶瓷基鋰離子電池隔板層組成。所有這三層都嵌入在SBE中。還顯示了使用光學顯微鏡捕獲的材料的代表性橫截面。（C）通過施加電流，鋰離子從一個碳纖維層排放到另一碳纖維層，導致放電層在纖維方向上收縮，并且充電層膨脹。這產生整體彎曲變形。
該復合材料由三層組成-其中兩層是在薄隔板的每一側上摻雜鋰離子的商用碳纖維。當碳纖維層各自具有相等的離子分布時，該材料是直的。隨著電流的加入，鋰離子從一側遷移到另一側，導致材料彎曲。逆轉電流可使材料恢復到平衡狀態并恢復其先前的未彎曲形式。
碳纖維復合變形材料的制造工藝。（A）在模具上放置兩層單向碳纖維層和一層陶瓷隔板層。銅集電器附接到碳纖維層。（B）用真空密封膜和膠帶密封疊層，并在真空下將SBE注入三層中，然后在90°C加熱固化45分鐘。（C）固化后的三層復合材料，密度約為1600 kgm-3，已準備好進行活化處理。（D）兩層鋰金屬箔用作鋰離子源，并置于復合材料的任一側，由浸有液體電解質的玻璃纖維紙層隔開。然后將其在真空下密封在袋內。在Li箔和碳纖維之間施加電流（18.6 mAg-1），并且碳纖維層多次充電/放電，然后再以50％的充電狀態充電。（E）將復合材料從袋中取出并夾緊以形成懸臂。在兩個碳纖維層之間施加電流，在-1.5至1.5 V之間對層充電/放電，導致懸臂彎曲。
Zenkert說：“我們使用結構性電池已有一段時間了，例如碳纖維復合材料也像鋰離子電池一樣可以存儲能量。現在，我們進一步開展了工作。我們希望這將為完全通過電氣控制改變形狀的材料帶來全新的概念，而且這些材料又輕又堅固。”
研究人員現在正與其他在使用過程中耗能更少的輕質和結構材料一起前進，其終目標是提高資源效率和可持續性。
實驗顯示了在懸臂設置中變形的碳纖維復合材料。在截止電壓為-1.5和1.5 V的碳纖維層之間施加電流。這導致Li從一個碳纖維層轉移到另一碳纖維層。當充電的碳纖維達到較高的充電狀態時，它會在纖維方向上膨脹，而正在放電的碳纖維層會收縮，從而產生彎曲變形。碳纖維層之間的電位差和懸臂尖端位移均顯示為時間的函數。還顯示了顯示變形材料位移的圖像。對于48 mm的懸臂長度，對于79.6 mAhg-1的電荷轉移，大針尖位移達到35 mm。樣品的平均層厚為：碳纖維53.4μm，隔板21.0μm。
懸臂設置中碳纖維復合變形材料的尖端位移和曲率與電荷變化的實驗，分析預測和FE模型預測之間的比較。此處的樣品平均層厚為：碳纖維40.4μm，隔板21.3μm，懸臂長度為59 mm。
Zenkert說：
