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打印可成形復雜結構零件的特點，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，被應用于仿生結構、機器人、電子設備、醫(yī)療以及組織結構等領域。

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

圖1 三維編織結構模型與制備的試樣

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

在這項研究中，還系統(tǒng)研究了微觀結構參數(shù)和形狀恢復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能力，還提高了復合材料的力學承載能力。優(yōu)秀的形狀記憶行為和機械性能展現(xiàn)了該技術的巨大應用潛力。

參考文獻：
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：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室