摘要：连续碳纤维（CCF）因高强度、高模量、轻质、化学稳定性等诸多优点在航空、航天、军工、汽车等许多重要领域有着十分可观的应用前景。然而，在绝大多数研究及应用中，连续碳纤维复合材料均是作为力学承载的构件发挥其高强度与高模量的作用。除了高强度高模量的特点以外，CCF还
连续碳纤维（CCF）因高强度、高模量、轻质、化学稳定性等诸多优点在航空、航天、军工、汽车等许多重要领域有着十分可观的应用前景。然而，在绝大多数研究及应用中，连续碳纤维复合材料均是作为力学承载的构件发挥其高强度与高模量的作用。除了高强度高模量的特点以外，CCF还具备很多其他的优点。遗憾的是，这些优点并未得到完全的开发与利用。区别于短切碳纤维，CCF由于具备天然的连通性，使得电子可以沿着纤维的方向产生定向移动，形成电流。这对于CCF的功能化具有十分重要的意义，对该优点的开发可以极大地丰富CCF的应用场景，这无疑将会推动CCF的智能化发展。
近期，华科大闫春泽教授、苏彬教授、杨磊副教授所在团队提出一种连续碳纤维复合材料的磁电功能化策略。该团队通过混合3D打印技术制备了功能化的连续碳纤维复合材料用于载荷感知与能量吸收，这将极大地推动3D打印连续碳纤维的功能化、智能化发展。相关工作以“Hybrid 3D Printing of Continuous Carbon Fiber Magneto-Electric Composites for Load Real-Time Sensing and Energy Absorption”为题发表在Advanced Functional Materials。华中科技大学博士生陈晓军是文章的第一作者。
图1 连续碳纤维磁电功能复合材料的设计策略.
CCF在大多数情况下均是作为结构承载的部件，缺少对其功能化的研究。因此，该团队通过材料与结构设计实现了CCF复合材料的功能化与智能化，进一步丰富了CCF的应用场景。基于CCF本身优良的导电性，结合三周期极小曲面多孔结构的设计，所制备的CCF 复合材料能够实现对于动态载荷的感知与能量的吸收。
图2连续碳纤维磁电功能复合材料的载荷感知。
该团队通过建立载荷与电压信号之间的关联(如图2所示)，从而实现对于动态冲击载荷的感知。在相同压力的作用下，每个结构被压缩不同的距离，其产生的电信号强弱就会不同。当连续碳纤维磁电功能复合材料受到动态压力时，复合材料直接与电路相连就可以通过电信号推测材料受到的压力大小与频率。因此该设计对于CCF复合材料对动态载荷的感知具有重要的启发意义。
图3连续碳纤维多孔结构磁电功能复合材料在动态载荷循环下的能量吸收。
于此同时，由于多孔结构的设计，当制备的CCF 复合材料受到冲击载荷时，多孔结构能够实现对能量的吸收（如图3所示），当面对动态冲击载荷时，还可以实现缓冲的效果。换言之，它们能够在受到冲击时储存能量，并在冲击过后释放或耗散这部分能量，从而达到减震与保护结构件的效果。
图4连续碳纤维磁电功能复合材料的设计策略在船舶结构设计中的应用。
面对日益严峻的能源危机和环境污染问题，开发清洁且可再生的能源利用技术以及探索新的能源供给方式至关重要。海洋覆盖了地球表面约71%的面积，海面有十分巨量的海浪。海浪是由海面上的风吹动海水而形成的，汹涌澎湃的海浪中蕴藏着庞大的能量，包括表面海水分子的动能和势能。它的开发和利用对缓解能源危机和减少环境污染是非常重要的。船舶作为海上交通最重要的运载工具之一，每年需要消耗的能量是十分庞大的。将波浪的能量转化为电能会大大地减少船舶对化石能源、电能、核能等能源的依赖。尽管对波浪能采集技术的研究已有半个世纪，但是由于波浪运动的低频和不规律特性，其有效利用仍面临巨大挑战。
本工作将连续碳纤维磁电功能复合材料的设计思路进一步与船体的制备相结合。当遭受波浪撞击时，船体中设计的结构可以实时地将波浪中的能量转化为电能，从而为部分设备提供清洁可再生的能源。于此同时，可以根据电信号的特征实时监测波浪的频率与强度，达到监测海面的目的。如果将此方案应用到无人船，还可以不断地从目标海域实时传回信号，而且不用担心船只能源不足的问题。值得一提的是，设计的结构在满足船身基本的强度要求以外，多孔结构的设计还可以适当减轻船体的重量，以及达到对低频无规律特征波浪的缓冲效果，从而为船体的安全提供更多的保障（如图4所示）。
总的来讲，通过这样的结构设计策略，将海浪的能量传递给船体是一个非常有前景的能源利用方法，而且还会大大降低能源的使用成本，产生能量的来源十分丰富且清洁。如果能将海浪的动能充分利用起来，则无疑为世界能源的格局改变增加新的可能。
总结
本工作制备了一系列极小曲面多孔结构的连续碳纤维磁电功能复合材料，实现了对于动态载荷的感知与能量吸收。进一步将设计思路应用于船体的制备，打印的船体能够实现对波浪的感知与能量吸收，这为开发波浪的能量以及船只的部分设备供能提供了新的思路。本工作提供的思路有利于CCF的功能化发展，有助于拓展CCF的应用场景，从而为CCF复合材料的智能化研究提供关键解决方案。本文提供的方法对于连续碳纤维复合材料结构件的载荷感知和能量吸收具备较好的启发意义。
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来源：高分子科学前沿一点号1