高性能共價(jià)適應(yīng)性網(wǎng)絡(luò)形狀記憶聚合物的可重構(gòu)4D打印

來源 :摩方高精密

4D打印技術(shù)使3D打印結(jié)構(gòu)在外界環(huán)境刺激下產(chǎn)生主動(dòng)變形，從而實(shí)現(xiàn)三維機(jī)械構(gòu)件-驅(qū)動(dòng)器一體成型。智能材料4D打印的是國內(nèi)外的跨學(xué)科研究熱點(diǎn)之一。形狀記憶聚合物（Shape Memory Polymers，SMPs）是一種具有較高模型的智能材料，已被廣泛用于4D打印。然而，大多數(shù)SMPs是熱固性材料，它們具有穩(wěn)定的化學(xué)交聯(lián)，因此只能“記憶”一種形狀。為了實(shí)現(xiàn)一個(gè)打印的三維SMP結(jié)構(gòu)“記憶”多個(gè)形狀并完成多種任務(wù)，需要使SMP的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)具有可塑性。共價(jià)適應(yīng)性網(wǎng)絡(luò)（covalent adaptable networks，CAN）是實(shí)現(xiàn)SMPs可塑性的有效手段。目前的CAN-SMPs無法實(shí)現(xiàn)機(jī)械強(qiáng)度、打印性能、重構(gòu)能力和變形能力等性能的綜合兼顧。

南方科技大學(xué)葛锜教授課題組開發(fā)了一種適用于高分辨率DLP 3D打印的高力學(xué)性能共價(jià)適應(yīng)性網(wǎng)絡(luò)形狀記憶聚合物（Mechanically Robust Covalent Adaptable Network Shape Memory Polymer， MRC-SMP），實(shí)現(xiàn)了可完全重構(gòu)、高斷裂應(yīng)變、高精度4D打印。

MRC-SMP在編程和重新配置溫度下都表現(xiàn)出高變形性（失效應(yīng)變分別為1640%和1471%），這使得MRC-SMP能夠在大變形下多次重新編程和配置（圖1a）。MRC-SMP的高可打印性（粘度：0.2 Pa·s，凝膠化時(shí)間：每100μm 4.5 s）使其可適用于高精度DLP打印機(jī)——摩方精密 microArch® S240 （精度：10μm），可以打印出高復(fù)雜度高精度的可重構(gòu)形狀記憶三維晶格結(jié)構(gòu)（圖1b-d）。MRC-SMP還表現(xiàn)出優(yōu)異的可焊性，因此單獨(dú)印刷的零件可以在熱處理后合并為一個(gè)完整的零件（圖1e）。此外，由于MRC-SMP具有高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg（75°C）和高的室溫模量（1.06 GPa），因此印刷SMP結(jié)構(gòu)可以在室溫下固定其臨時(shí)形狀，并承受重載（圖1e）。

圖1. MRC-SMP優(yōu)異的高力學(xué)性能和可打印性展示。a、 MEC-SMP樣品的高拉伸性能和形狀記憶性能展示。b、摩方精密 microArch® S240打印的MRC-SMP晶格結(jié)構(gòu)。c、長方體MRC-SMP晶格結(jié)構(gòu)的大變形和形狀記憶循環(huán)。d、 重新配置成弧形的MRC-SMP晶格結(jié)構(gòu)的大變形和形狀記憶循環(huán)。e、 一種SM夾具，通過將三個(gè)由摩方精密 microArch® S240打印的MRC-SMP晶格結(jié)構(gòu)重新配置并焊接到打印的圓形底座上而制造的一種形狀記憶夾具。圖中比例尺：5mm。

可打印MCR-SMP卓越的可重新配置性和可焊接性徹底改變形狀記憶三維結(jié)構(gòu)的制造方式。研究團(tuán)隊(duì)在自制的多材料3D打印機(jī)Multi Mater C1上打印平面Miura折紙圖案來制造形狀記憶折紙結(jié)構(gòu)（圖2a-c）。MRC-SMP的顯著可變形性允許將一張打印的折紙薄片重新配置為多個(gè)SM折紙配置（圖2c-f）。MRC-SMP的高Tg確保了3D折紙結(jié)構(gòu)在室溫下具有高剛度，并且可以支撐重負(fù)載（圖2g-h）。多材料和重新配置的結(jié)合能夠以任何配置制造3D折紙結(jié)構(gòu)，并大大縮短了制造復(fù)雜SMP折紙結(jié)構(gòu)的時(shí)間（圖2i）。

圖2. 多材料可重構(gòu)形狀記憶折紙。a-b，多材料打印可重構(gòu)SM折紙的示意圖。c-f，可重構(gòu)SM折紙的多重配置和SM行為的演示。g、 重新配置的3D折紙承載重物的照片。h、 在25°C下對不同配置的折紙結(jié)構(gòu)進(jìn)行的壓縮試驗(yàn)。i、 通過不同的制造方法制造各種3D折紙配置所需的時(shí)間。

本研究成果以“Reconfigurable 4D printing via mechanically robust covalent adaptable network shape memory polymer”發(fā)表在國際知名期刊《Science Advances》上，南方科技大學(xué)研究助理教授李紅庚（現(xiàn)任大灣區(qū)大學(xué)助理教授）為論文第一作者，南方科技大學(xué)葛锜教授為通訊作者。本研究得到了國家自然科學(xué)基金、廣東省珠江人才計(jì)劃、廣東省自然科學(xué)基金和深圳市科技創(chuàng)新委員會(huì)的支持。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1126/sciadv.adl4387