南方科技大學葛锜團隊：高性能共價適應性網絡形狀記憶聚合物的可重構4D打印

更新時間：2024-05-30

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4D打印技術使3D打印結構在外界環境刺激下產生主動變形，從而實現三維機械構件-驅動器一體成型。智能材料4D打印的是國內外的跨學科研究熱點之一。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SMPs是熱固性材料，它們具有穩定的化學交聯，因此只能“記憶"一種形狀。為了實現一個打印的三維SMP結構“記憶"多個形狀并完成多種任務，需要使SMP的交聯網絡具有可塑性。共價適應性網絡（covalent adaptable networks，CAN）是實現SMPs可塑性的有效手段。目前的CAN-SMPs無法實現機械強度、打印性能、重構能力和變形能力等性能的綜合兼顧。

南方科技大學葛锜教授課題組開發了一種適用于高分辨率DLP 3D打印的高力學性能共價適應性網絡形狀記憶聚合物（Mechanically Robust Covalent Adaptable Network Shape Memory Polymer， MRC-SMP），實現了可重構、高斷裂應變、高精度4D打印。

MRC-SMP在編程和重新配置溫度下都表現出高變形性（失效應變分別為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，凝膠化時間：每100μm 4.5 s）使其可適用于高精度DLP打印機——摩方精密 microArch^® S240 （精度：10μm），可以打印出高復雜度高精度的可重構形狀記憶三維晶格結構（圖1b-d）。MRC-SMP還表現出優異的可焊性，因此單獨印刷的零件可以在熱處理后合并為一個完整的零件（圖1e）。此外，由于MRC-SMP具有高的玻璃化轉變溫度T_g（75°C）和高的室溫模量（1.06 GPa），因此印刷SMP結構可以在室溫下固定其臨時形狀，并承受重載（圖1e）。

圖1. MRC-SMP優異的高力學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晶格結構。c、長方體MRC-SMP晶格結構的大變形和形狀記憶循環。d、重新配置成弧形的MRC-SMP晶格結構的大變形和形狀記憶循環。e、一種SM夾具，通過將三個由摩方精密 microArch^® S240打印的MRC-SMP晶格結構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優異的可重新配置性和可焊接性改變形狀記憶三維結構的制造方式。研究團隊在自制的多材料3D打印機Multi Mater C1上打印平面Miura折紙圖案來制造形狀記憶折紙結構（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SM折紙配置（圖2c-f）。MRC-SMP的高T_g確保了3D折紙結構在室溫下具有高剛度，并且可以支撐重負載（圖2g-h）。多材料和重新配置的結合能夠以任何配置制造3D折紙結構，并大大縮短了制造復雜SMP折紙結構的時間（圖2i）。

圖2. 多材料可重構形狀記憶折紙。a-b，多材料打印可重構SM折紙的示意圖。c-f，可重構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構進行的壓縮試驗。i、通過不同的制造方法制造各種3D折紙配置所需的時間。

本研究成果以“Reconfigurable 4D printing via mechanically robust covalent adaptable network shape memory polymer"發表在國際期刊《Science Advances》上，南方科技大學研究助理教授李紅庚（現任大灣區大學助理教授）為論文第一作者，南方科技大學葛锜教授為通訊作者。本研究得到了國家自然科學基金、廣東省珠江人才計劃、廣東省自然科學基金和深圳市科技創新委員會的支持。

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