3D打印具有永久形狀記憶的仿生纖維調控復材

供稿人:鄭子琪 田小永

形狀記憶聚合物（SMP）由于其輕質、高形的狀可變形性、高的形狀恢復性等優(yōu)點成為一種蓬勃發(fā)展的活性材料。當暴露于適當的刺激（熱，光等）時，它們可以以預定義的方式改變形狀。雖然與形狀記憶合金相比，SMP在某些方面表現突出，但仍具有低強度和低形狀恢復應力等明顯缺點。吉林大學任露泉院士和他的團隊提出了一種制造形狀記憶復合材料的方法，該方法通過仿生的纖維結構和不同的3D打印工藝，使得制造的復合材料具有可調節(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，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。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出不同的形狀記憶特性。這種在合成過程中不匹配的內應力和空間定義的材料異質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的形狀恢復率。其形狀恢復過程如圖3所示，在恢復的早期階段，由于較大的內應力被纖維阻擋，具有較小纖維鋪放角度的制件恢復較慢。結果表明，角度較小的短切纖維具有較低的形狀恢復率，以較小角度釋放存儲的彈性應變能量導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結構豐富了SMP的變形行為。纖維的排列方式使復合材料具有可調節(jié)的形狀記憶性能，包括形狀恢復率和形狀恢復速度。該方法還可與碳納米管和碳纖維等各種纖維兼容，預計可以探索更多纖維調節(jié)的形狀移位和形狀記憶特性。

參考文獻：
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.