【原创资讯】加拿大科研人员利用4D打印复合材料技术为无人机开发新的柔性机翼

近年来，航空业正面临来自诸如不断上涨的燃油价格等多方面的压力，为此，科学家们正在不断寻找新的方法来降低成本，同时提高整体效率，相对较新的无人机（ unmanned aerial vehicles，UAV）行业也不例外。

无人机在航空界占据越来越多的空间。来自加拿大康考迪亚大学（Concordia University）的Suong Hoa和他的学生合作使用复合材料4D打印技术制造可变弯度的自适应机翼结构（ Active Compliant Trailing Edge，ACTE）。这项研究成果发表在《Composite Structures》杂志上。

传统飞机通常依靠铰链式副翼来控制飞机在飞行中的倾斜。长期以来，科学家一直在寻求开发一种可以像鸟类一样飞机，在飞行过程中改变或变形翅膀。在该项目中，研究人员聚焦在称为ACTE新型变形机翼结构。

与传统的平面襟翼机翼相比，采用ACTE结构的变形机翼能够改善气动特性和流动分离特性，从而提高燃油效率。与要求刚性的一般机翼结构相反，变形机翼更倾向于结构柔性。

复合材料是各向异性材料，在纤维方向上是刚性的，在垂直于纤维的方向上是柔性的。此外，波纹复合材料结构在波纹方向上是柔性的，在横向上是刚性的。基于这些特性，由波纹复合材料制成的变形翼预计能够承受弯曲载荷，并且易于改变形状。

4D打印与3D打印相似之处在于材料可以因地制宜。这种单独的材料只是作为对特定刺激如水、冷或热的反应。初步打印是在平面上完成的，然后受到刺激，这会引起反应并改变表面的形状。

复合材料的4D打印更加困难，它在很大程度上依赖于由树脂保持在适当位置的细长丝组成的强韧混合物，而不是3D和4D打印机广泛使用的柔软面团状物质。每根细丝只有10微米厚，大约相当于人类头发直径的十分之一。在4D复合材料打印机中，将长丝树脂混合物以90度角展开成超薄层，然后将各层压缩在一起，并在180˚C的烤箱中固化，然后冷却至0˚C，形成坚硬但坚固的物品。

根据研究人员测试结果，这使得在机翼襟翼的上下表面之间创建具有统一曲率的材料截面成为可能。它用途广泛，强度足以承受机翼20度的变形，从而实现飞行机动性，并可替换常用的铰接式襟翼，可使无人机机翼制造成本更低、飞行效率更高。

文献来源：Hoa, S., et al. (2022) Development of a new flexible wing concept for Unmanned Aerial Vehicle using a corrugated core made by 4D printing of composites. Composite Structures. doi.org/10.1016/j.compstruct.2022.115444.