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，其他很多优点尚未得到完全的开发与利用。区别于短切碳纤维，由于CCF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，对该特性的开发可以极大地丰富CCF的应用场景，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了一种连续碳纤维复合材料的磁电功能化策略。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，该研究将对3D打印连续碳纤维的功能化、智能化发展起推动作用。

CCF在大多数情况下作为结构承载的部件，关于其功能化的研究较少。因此，研究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1 连续碳纤维磁电功能复合材料的设计策略

研究团队通过建立载荷与电压信号之间的关联，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。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2 连续碳纤维磁电功能复合材料的载荷感知

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，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

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。

研究团队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。与此同时，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。

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

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。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202425794

（来源：高分子科学前沿）