南方科技大学葛锜团队：高性能共价适应性网络形状记忆聚合物的可重构4D打印

更新时间：2024-05-30

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4D打印技术使3D打印结构在外界环境刺激下产生主动变形，从而实现三维机械构件-驱动器一体成型。智能材料4D打印的是国内外的跨学科研究热点之一。形状记忆聚合物（Shape Memory Polymers，SMPs）是一种具有较高模型的智能材料，已被广泛用于4D打印。然而，大多数SMPs是热固性材料，它们具有稳定的化学交联，因此只能“记忆"一种形状。为了实现一个打印的三维SMP结构“记忆"多个形状并完成多种任务，需要使SMP的交联网络具有可塑性。共价适应性网络（covalent adaptable networks，CAN）是实现SMPs可塑性的有效手段。目前的CAN-SMPs无法实现机械强度、打印性能、重构能力和变形能力等性能的综合兼顾。

南方科技大学葛锜教授课题组开发了一种适用于高分辨率DLP 3D打印的高力学性能共价适应性网络形状记忆聚合物（Mechanically Robust Covalent Adaptable Network Shape Memory Polymer， MRC-SMP），实现了可重构、高断裂应变、高精度4D打印。

MRC-SMP在编程和重新配置温度下都表现出高变形性（失效应变分别为1640%和1471%），这使得MRC-SMP能够在大变形下多次重新编程和配置（图1a）。MRC-SMP的高可打印性（粘度：0.2 Pa·s，凝胶化时间：每100μm 4.5 s）使其可适用于高精度DLP打印机——摩方精密 microArch^® S240 （精度：10μm），可以打印出高复杂度高精度的可重构形状记忆三维晶格结构（图1b-d）。MRC-SMP还表现出优异的可焊性，因此单独印刷的零件可以在热处理后合并为一个完整的零件（图1e）。此外，由于MRC-SMP具有高的玻璃化转变温度T_g（75°C）和高的室温模量（1.06 GPa），因此印刷SMP结构可以在室温下固定其临时形状，并承受重载（图1e）。

图1. MRC-SMP优异的高力学性能和可打印性展示。a、 MEC-SMP样品的高拉伸性能和形状记忆性能展示。b、摩方精密 microArch^® S240打印的MRC-SMP晶格结构。c、长方体MRC-SMP晶格结构的大变形和形状记忆循环。d、重新配置成弧形的MRC-SMP晶格结构的大变形和形状记忆循环。e、一种SM夹具，通过将三个由摩方精密 microArch^® S240打印的MRC-SMP晶格结构重新配置并焊接到打印的圆形底座上而制造的一种形状记忆夹具。图中比例尺：5mm。

可打印MCR-SMP优异的可重新配置性和可焊接性改变形状记忆三维结构的制造方式。研究团队在自制的多材料3D打印机Multi Mater C1上打印平面Miura折纸图案来制造形状记忆折纸结构（图2a-c）。MRC-SMP的显著可变形性允许将一张打印的折纸薄片重新配置为多个SM折纸配置（图2c-f）。MRC-SMP的高T_g确保了3D折纸结构在室温下具有高刚度，并且可以支撑重负载（图2g-h）。多材料和重新配置的结合能够以任何配置制造3D折纸结构，并大大缩短了制造复杂SMP折纸结构的时间（图2i）。

图2. 多材料可重构形状记忆折纸。a-b，多材料打印可重构SM折纸的示意图。c-f，可重构SM折纸的多重配置和SM行为的演示。g、重新配置的3D折纸承载重物的照片。h、在25°C下对不同配置的折纸结构进行的压缩试验。i、通过不同的制造方法制造各种3D折纸配置所需的时间。

本研究成果以“Reconfigurable 4D printing via mechanically robust covalent adaptable network shape memory polymer"发表在国际期刊《Science Advances》上，南方科技大学研究助理教授李红庚（现任大湾区大学助理教授）为论文第一作者，南方科技大学葛锜教授为通讯作者。本研究得到了国家自然科学基金、广东省珠江人才计划、广东省自然科学基金和深圳市科技创新委员会的支持。

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