南科大頂刊《AM》：應(yīng)變超過1240%！光固化4D打印超高力學(xué)性能形狀記憶高分子材料

來源：南方科技大學(xué)

近日，南方科技大學(xué)機械與能源工程系副教授葛锜團隊和西北工業(yè)大學(xué)副教授張彪團隊在Advanced Materials合作發(fā)表論文，報道一種用于光固化4D打印的超高力學(xué)性能形狀記憶高分子材料。這種新材料在橡膠態(tài)斷裂應(yīng)變超過1240%，在150%-250%的應(yīng)變區(qū)間可以重復(fù)加載超10000次。此外，其優(yōu)異的光聚合性能使其成為數(shù)字光處理（Digital Light Processing - DLP）4D打印的理想材料，最高打印精度2微米，在智能家居、航空航天和軟體機器人領(lǐng)域應(yīng)用潛力非常大。該項研究被Advanced Materials后內(nèi)封面重點報道。

4D打印是一種新興的制造技術(shù)，它能夠使打印出來的三維結(jié)構(gòu)的形狀在外界環(huán)境刺激下隨時間變化。與用于4D打印的其他主動軟材料（Soft Active Materials -SAMs）相比，形狀記憶高分子（Shape Memory Polymers - SMPs）具有更高的剛度，并且能與各種3D打印技術(shù)兼容。其中，采用DLP 3D打印技術(shù)打印可光固化SMP，可以制造具有復(fù)雜幾何形狀和高分辨率的4D打印結(jié)構(gòu)。然而，現(xiàn)有可光固化SMP在力學(xué)性能方面具有局限性（伸長率偏低、抗疲勞性能差等），這極大地限制了它們的應(yīng)用范圍。因此，亟需發(fā)展可承受大變形且具備抗疲勞能力的光固化SMP，以滿足工程應(yīng)用中對4D打印智能材料力學(xué)性能的高要求。

圖 1. 超高力學(xué)性能的tBA AUD SMP用于基于DLP 3D打印技術(shù)的4D打印

聯(lián)合研究團隊合作開發(fā)出了一種超高力學(xué)性能可光固化SMP體系。該材料體系主要由丙烯酸叔丁酯（tBA）和脂肪族聚氨酯二丙烯酸酯（AUD）組成，故稱為tBA-AUD SMP體系。如圖1所示，該SMP體系極易光固化，與基于DLP的3D打印技術(shù)兼容，可以制造出高分辨率-高度復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu)。研究團隊開展了大量實驗，研究tBA-AUD SMP體系的大變形機理和探索其在高承載-大變形結(jié)構(gòu)中的工程應(yīng)用。

圖 2. tBA-AUD SMP前驅(qū)體溶液的相關(guān)特性

如圖2所示，通過流變測量、凝膠分?jǐn)?shù)試驗和固化時間測試表征了tBA-AUD SMP前驅(qū)體溶液的3D打印性能。交聯(lián)劑AUD含量在50 wt%以下前驅(qū)體溶液具有較低的黏度，適用于DLP 3D打印。AUD含量越高, tBA-AUD SMP體系的平衡凝膠分?jǐn)?shù)越高，固化相同厚度的前驅(qū)體溶液所需的時間越短。

圖 3. tBA-AUD SMP體系的熱力學(xué)性能

如圖3所示，通過熱力學(xué)性能測試標(biāo)定了tBA-AUD SMP體系的大變形、形狀記憶和耐疲勞性能。tBA-AUD SMP體系在編輯溫度（80 °C）下具有較低的彈性模量和超高的斷裂伸長率。tBA-AUD SMP 體系具有近乎100%的形狀固定率和良好的形狀恢復(fù)率（~90%）。此外，這種SMP材料可以承受超過10000次大變形循環(huán)加載（循環(huán)應(yīng)變150%-250%）。

圖 4. tBA-AUD SMP體系的大變形機理

如圖4所示，通過紅外光譜測試、應(yīng)力松弛實驗和單軸拉伸試驗對比新鮮試樣和10000次疲勞后試樣，以闡釋tBA-AUD-SMP體系的大變形和抗疲勞機理。AUD交聯(lián)劑的高分子量和氫鍵的綜合作用賦予了tBA-AUD SMP體系大變形性和抗疲勞性。

圖 5. tBA-AUD SMP三維構(gòu)件的高度變形能力及其在智能家具中的工程應(yīng)用

圖 6. tBA-AUD SMP在航空航天中的應(yīng)用

如圖5和圖6所示，3D打印的 tBA-AUD SMP三維構(gòu)件具有高度變形能力，在智能家居和航空航天等工程應(yīng)用中潛力巨大。tBA-AUD SMP的斷裂伸長率遠(yuǎn)高于先前報道的各種可3D打印SMP。使用tBA-AUD SMP打印的三維結(jié)構(gòu)具有大變形能力和高承載能力，使其成為制造帶有SMP鉸鏈的智能家具的理想材料。利用tBA-AUD SMP的快速熱響應(yīng)能力，可以制作用于展開太陽能電池板的智能鉸鏈。通過穿過鉸鏈微孔的電阻絲的加熱，折疊編輯的鉸鏈可在1分鐘之內(nèi)恢復(fù)到筆直狀態(tài)，完成太陽能電池板的快速部署。

該項研究開發(fā)了適用于DLP打印的大變形-抗疲勞形狀記憶聚合物光敏樹脂，可以滿足各類4D打印工程應(yīng)用對先進智能材料的高斷裂應(yīng)變、高抗疲勞能力、高承載能力和適應(yīng)于先進制造工藝等的綜合要求。

西北工業(yè)大學(xué)副教授張彪、南方科技大學(xué)博士后李紅庚和博士生程健翔為論文共同第一作者。葛锜為論文的通訊作者，南方科技大學(xué)為唯一通訊單位。該項研究得到國家自然科學(xué)基金、深圳市仿生機器人與智能系統(tǒng)重點實驗室、廣東省普通高校人體增強與康復(fù)機器人重點實驗室和陜西自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計劃等項目資助。