3D打印具有永久形状记忆的仿生纤维调控复材

供稿人:郑子琪 田小永

形状记忆聚合物（SMP）由于其轻质、高形的状可变形性、高的形状恢复性等优点成为一种蓬勃发展的活性材料。当暴露于适当的刺激（热，光等）时，它们可以以预定义的方式改变形状。虽然与形状记忆合金相比，SMP在某些方面表现突出，但仍具有低强度和低形状恢复应力等明显缺点。吉林大学任露泉院士和他的团队提出了一种制造形状记忆复合材料的方法，该方法通过仿生的纤维结构和不同的3D打印工艺，使得制造的复合材料具有可调节的形状记忆特性和可编程的永久形状。

该方法使用磁性组件和立体光固化3D打印技术，在材料形成期时，在空间上限定材料的不均匀性。此外，受松果的启发，平面纤维的弯曲可以通过改变局部纤维的方向来调节。松果的鳞片在水合作用下闭合，在脱水作用下再打开，而脱水作用与局部双层纤维素微纤维的方向有关。此外，通过不同纤维取向的排布，具有相同层厚、纤维含量的制件将表现出不同的形状记忆特性。这种在合成过程中不匹配的内应力和空间定义的材料异质性的独特组合将扩大SMP形状变化的自由度。

图1. 3D打印过程 （a）磁性组件和改进的立体光固化3D打印机示意图 （b）3D打印过程图

受松果的局部排列的双层纤维素微纤维的启发，上部和下部区域由正交排列的纤维素微纤维组成（图2a）。制件的形状偏移程度也可通过改变纤维排布方向来调节。

图2. （a）松果纤维排列方式 （b）纤维排布方向为0时的制件 （c）纤维排布方向为90时的制件

图3. 不同纤维铺放角度的制件的形状恢复过程

为深入探究其形状记忆能力，该团队还探究了SMP的形状恢复率。其形状恢复过程如图3所示，在恢复的早期阶段，由于较大的内应力被纤维阻挡，具有较小纤维铺放角度的制件恢复较慢。结果表明，角度较小的短切纤维具有较低的形状恢复率，以较小角度释放存储的弹性应变能量导致聚合物更均匀且最终更彻底的展开。

该项工作通过3D打印制造的基于仿生的纤维可调结构丰富了SMP的变形行为。纤维的排列方式使复合材料具有可调节的形状记忆性能，包括形状恢复率和形状恢复速度。该方法还可与碳纳米管和碳纤维等各种纤维兼容，预计可以探索更多纤维调节的形状移位和形状记忆特性。

参考文献：
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.