4D打印形状记忆功能材料

供稿人:侯章浩，田小永

4D打印不仅具有3D打印可成形复杂结构零件的特点，还具有在温度、光照、电场和磁场等外部刺激下改变3D打印出零件的形状、性能或功能的能力，因此，被应用于仿生结构、机器人、电子设备、医疗以及组织结构等领域。

东华大学的Zhang Wei等人利用FDM技术打印形状记忆聚合物PLA材料，设计并制备了三维编织结构如图1所示，然后将打印出的结构放入硅橡胶基质中制备具有形状记忆功能的编织管状PLA/硅橡胶复合材料。在复合的过程中，为了避免空气的影响，需在真空环境下进行。另外，为了避免高温对FDM打印纯PLA结构的影响，固化过程采用室温。

图1 三维编织结构模型与制备的试样

4D打印形状记忆编织管的形状记忆行为如图2所示，首先，将试样放置在高于PLA玻璃化转换温度的温度环境下施加外部载荷，使其保持中间形状。然后，将环境温度降低到PLA玻璃化转换温度以下卸载，此时试样保持中间形状。最后，将样品的环境温度升高，样品可以恢复到接近原始形状。

图2 4D打印形状记忆编织管的形状记忆行为

在这项研究中，还系统研究了微观结构参数和形状恢复温度等对形状记忆行为的影响。与纯PLA材料相比，硅橡胶的引入不仅提高了形状恢复能力，还提高了复合材料的力学承载能力。优秀的形状记忆行为和机械性能展现了该技术的巨大应用潜力。

参考文献：
W. Zhang, F. Zhang, X. Lan, J. Leng, A.S. Wu, T.M. Bryson, C. Cotton, B. Gu, B. Sun, T. Chou, Shape memory behavior and recovery force of 4D printed textile functional composites, COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY 160 (2018) 224-230.

供稿人:侯章浩，田小永 供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室