3D打印具有永久形狀記憶的仿生纖維調(diào)控復(fù)材

供稿人:鄭子琪 田小永

形狀記憶聚合物（SMP）由于其輕質(zhì)、高形的狀可變形性、高的形狀恢復(fù)性等優(yōu)點成為一種蓬勃發(fā)展的活性材料。當(dāng)暴露于適當(dāng)?shù)拇碳ぃ�熱，光等）時，它們可以以預(yù)定義的方式改變形狀。雖然與形狀記憶合金相比，SMP在某些方面表現(xiàn)突出，但仍具有低強度和低形狀恢復(fù)應(yīng)力等明顯缺點。吉林大學(xué)任露泉院士和他的團隊提出了一種制造形狀記憶復(fù)合材料的方法，該方法通過仿生的纖維結(jié)構(gòu)和不同的3D打印工藝，使得制造的復(fù)合材料具有可調(diào)節(jié)的形狀記憶特性和可編程的永久形狀。

該方法使用磁性組件和立體光固化3D打印技術(shù)，在材料形成期時，在空間上限定材料的不均勻性。此外，受松果的啟發(fā)，平面纖維的彎曲可以通過改變局部纖維的方向來調(diào)節(jié)。松果的鱗片在水合作用下閉合，在脫水作用下再打開，而脫水作用與局部雙層纖維素微纖維的方向有關(guān)。此外，通過不同纖維取向的排布，具有相同層厚、纖維含量的制件將表現(xiàn)出不同的形狀記憶特性。這種在合成過程中不匹配的內(nèi)應(yīng)力和空間定義的材料異質(zhì)性的獨特組合將擴大SMP形狀變化的自由度。

圖1. 3D打印過程 （a）磁性組件和改進(jìn)的立體光固化3D打印機示意圖 （b）3D打印過程圖

受松果的局部排列的雙層纖維素微纖維的啟發(fā)，上部和下部區(qū)域由正交排列的纖維素微纖維組成（圖2a）。制件的形狀偏移程度也可通過改變纖維排布方向來調(diào)節(jié)。

圖2. （a）松果纖維排列方式 （b）纖維排布方向為0時的制件 （c）纖維排布方向為90時的制件

圖3. 不同纖維鋪放角度的制件的形狀恢復(fù)過程

為深入探究其形狀記憶能力，該團隊還探究了SMP的形狀恢復(fù)率。其形狀恢復(fù)過程如圖3所示，在恢復(fù)的早期階段，由于較大的內(nèi)應(yīng)力被纖維阻擋，具有較小纖維鋪放角度的制件恢復(fù)較慢。結(jié)果表明，角度較小的短切纖維具有較低的形狀恢復(fù)率，以較小角度釋放存儲的彈性應(yīng)變能量導(dǎo)致聚合物更均勻且最終更徹底的展開。

該項工作通過3D打印制造的基于仿生的纖維可調(diào)結(jié)構(gòu)豐富了SMP的變形行為。纖維的排列方式使復(fù)合材料具有可調(diào)節(jié)的形狀記憶性能，包括形狀恢復(fù)率和形狀恢復(fù)速度。該方法還可與碳納米管和碳纖維等各種纖維兼容，預(yù)計可以探索更多纖維調(diào)節(jié)的形狀移位和形狀記憶特性。

參考文獻(xiàn)：
Luquan Ren, Bingqian Li, et al. Bioinspired fiber-regulated composite with tunable permanent shape and shape memory properties via 3d magnetic printing. Composites Part B, 164(2019) 458-466.