4D打印形狀記憶功能材料

供稿人:侯章浩，田小永

4D打印不僅具有3D打印可成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的特點(diǎn)，還具有在溫度、光照、電場和磁場等外部刺激下改變3D打印出零件的形狀、性能或功能的能力，因此，被應(yīng)用于仿生結(jié)構(gòu)、機(jī)器人、電子設(shè)備、醫(yī)療以及組織結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域。

東華大學(xué)的Zhang Wei等人利用FDM技術(shù)打印形狀記憶聚合物PLA材料，設(shè)計并制備了三維編織結(jié)構(gòu)如圖1所示，然后將打印出的結(jié)構(gòu)放入硅橡膠基質(zhì)中制備具有形狀記憶功能的編織管狀PLA/硅橡膠復(fù)合材料。在復(fù)合的過程中，為了避免空氣的影響，需在真空環(huán)境下進(jìn)行。另外，為了避免高溫對FDM打印純PLA結(jié)構(gòu)的影響，固化過程采用室溫。

圖1 三維編織結(jié)構(gòu)模型與制備的試樣

4D打印形狀記憶編織管的形狀記憶行為如圖2所示，首先，將試樣放置在高于PLA玻璃化轉(zhuǎn)換溫度的溫度環(huán)境下施加外部載荷，使其保持中間形狀。然后，將環(huán)境溫度降低到PLA玻璃化轉(zhuǎn)換溫度以下卸載，此時試樣保持中間形狀。最后，將樣品的環(huán)境溫度升高，樣品可以恢復(fù)到接近原始形狀。

圖2 4D打印形狀記憶編織管的形狀記憶行為

在這項(xiàng)研究中，還系統(tǒng)研究了微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)和形狀恢復(fù)溫度等對形狀記憶行為的影響。與純PLA材料相比，硅橡膠的引入不僅提高了形狀恢復(fù)能力，還提高了復(fù)合材料的力學(xué)承載能力。優(yōu)秀的形狀記憶行為和機(jī)械性能展現(xiàn)了該技術(shù)的巨大應(yīng)用潛力。

參考文獻(xiàn)：
W. Zhang, F. Zhang, X. Lan, J. Leng, A.S. Wu, T.M. Bryson, C. Cotton, B. Gu, B. Sun, T. Chou, Shape memory behavior and recovery force of 4D printed textile functional composites, COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY 160 (2018) 224-230.

供稿人:侯章浩，田小永 供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室