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研究背景

隨著智能制造和先進材料科學(xué)的快速發(fā)展，四維（4D）打印作為一項前沿技術(shù)引起了廣泛關(guān)注。4D打印利用3D打印技術(shù)創(chuàng)建能夠在第四維“時間”上響應(yīng)外部環(huán)境刺激（如熱、光、濕氣或電/磁場）而改變形狀的3D結(jié)構(gòu)。它不僅可以實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的打印，還可以賦予打印件自適應(yīng)、自修復(fù)等智能功能，從而在航空航天、生物醫(yī)學(xué)、軟體機器人等領(lǐng)域展示出巨大的應(yīng)用潛力。

然而，目前用于4D打印的主要材料——形狀記憶聚合物（SMPs）存在一些亟待解決的問題。大多數(shù)SMPs是熱固性材料，其中的聚合物鏈通過共價鍵交聯(lián)形成網(wǎng)絡(luò)。一旦SMP結(jié)構(gòu)打印完成，這種交聯(lián)的聚合物網(wǎng)絡(luò)將被永久固定，無法再改變形狀。這意味著每個打印的SMP結(jié)構(gòu)只能有一個由打印過程決定的永久形狀，限制了其在實際應(yīng)用中的多功能性和靈活性。此外，盡管將共價可調(diào)網(wǎng)絡(luò)（CANs）引入SMPs能夠在一定程度上實現(xiàn)形狀重構(gòu)，但目前的CAN-SMPs在熱機械性能上較弱，難以滿足工程應(yīng)用的需求。

為了解決這些問題，科學(xué)家們進行了大量研究，希望開發(fā)出兼具高機械性能和高形狀可重構(gòu)性的SMPs。具體而言，他們致力于實現(xiàn)以下目標(biāo)：一是在編程和重新配置溫度下具有高延展性，使SMP在大變形下可以多次重新編程和重新配置；二是具有高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）和高室溫模量，使臨時形狀可以在室溫下固定并承受重載；三是前體溶液的低粘度和高光反應(yīng)性，使其與高分辨率的數(shù)字光處理（DLP）3D打印兼容。

研究背景

有鑒于此，南方科技大學(xué)機械與能源工程系葛锜教授等人在Science Advances期刊上發(fā)表了題為“Reconfigurable 4D printing via mechanically robust covalent adaptable network shape memory polymer”的最新論文。作者的研究團隊開發(fā)了一種機械強健的CAN-SMP（MRC-SMP），并通過該材料實現(xiàn)了可重構(gòu)4D打印。

與先前報道的CAN-SMPs相比，MRC-SMP在以下三個方面表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢：（1）在編程和重新配置溫度下具有高延展性（斷裂應(yīng)變分別為1640%和1471%），這使得SMP在大變形下可以多次重新編程和重新配置；（2）高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（75°C）和高室溫模量（1.06 GPa），這使得臨時形狀可以在室溫下固定并承受重載；（3）低粘度（0.2 Pa·s）和高光反應(yīng)性（每100微米凝膠化時間為4.5秒），這使得MRC-SMP與DLP 3D打印兼容，能夠制造復(fù)雜的3D形狀記憶結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)在大變形下可以重新配置為多種形狀。

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研究亮點

1. 本研究首次開發(fā)了一種機械強健的CAN-SMPs（MRC-SMPs），這是一種高度可重構(gòu)的四維（4D）打印材料。

2. MRC-SMPs在編程和重新配置溫度下具有高延展性（分別為1640%和1471%），使得SMP能夠在大變形下多次重新編程和重新配置。

3. MRC-SMPs具有高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg，75°C）和高室溫模量（1.06 GPa），使得臨時形狀可以在室溫下固定并承受重載。

4. MRC-SMPs具有低粘度（0.2 Pa·s）和高光反應(yīng)性（每100μm凝膠化時間為4.5秒），能夠與DLP 3D打印兼容，制造高度復(fù)雜的3D形狀記憶（SM）結(jié)構(gòu)。

5. 實驗結(jié)果表明，MRC-SMPs還具有優(yōu)異的可焊接性，使得分離的MRC-SMP部件在熱處理后可以合并為一個完整的部件。

6. MRC-SMPs的研發(fā)大大簡化了制造變形結(jié)構(gòu)的方法，并為4D打印技術(shù)增添了價值，為各種工程應(yīng)用提供了可重構(gòu)性和可焊接性的3D打印材料。

圖文解讀

圖1. MRC-SMPs的可重構(gòu)性和可焊接性。

圖2. MRC-SMPs的制備和熱機械性能。

圖3. MRC-SMP的重構(gòu)和焊接。

圖4. MRC-SMP的可打印性和可重構(gòu)4D打印。

圖5. 多材料可重構(gòu)SM折紙。

研究結(jié)論

本文通過解決當(dāng)前CAN-SMPs的熱機械性能不足，作者報道了一種可通過機械強健的CAN-SMPs（MRC-SMPs）實現(xiàn)可重構(gòu)的4D打印技術(shù)。這種材料具有高變形性，在編程和重新配置溫度下均表現(xiàn)出良好的性能，同時具有高Tg和高室溫模量。其高可打印性使得MRC-SMPs與DLP高分辨率3D打印技術(shù)兼容，可以制造高度復(fù)雜的SMP 3D結(jié)構(gòu)，在大變形下可以多次重新配置。

演示結(jié)果表明，可重構(gòu)的4D打印使得一個打印的SMP結(jié)構(gòu)可以完成多種任務(wù)。此外，MRC-SMP還表現(xiàn)出優(yōu)異的焊接性能，使得分離的MRC-SMP部件在經(jīng)過熱處理后可以融合成一個完整的部件。MRC-SMP的開發(fā)大大簡化了制造變形結(jié)構(gòu)的方法，并通過賦予3D打印的SMP結(jié)構(gòu)可重構(gòu)性和焊接性，為4D打印技術(shù)增添了價值。

文獻信息

Honggeng Li et al. ,Reconfigurable 4D printing via mechanically robust covalent adaptable network shape memory polymer. Sci. Adv.,DOI:10.1126/sciadv.adl4387

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