南科大頂刊《AM》：應(yīng)變超過1240%,！光固化4D打印超高力學(xué)性能形狀記憶高分子材料

來源：南方科技大學(xué)

近日,，南方科技大學(xué)機(jī)械與能源工程系副教授葛锜團(tuán)隊(duì)和西北工業(yè)大學(xué)副教授張彪團(tuán)隊(duì)在Advanced Materials合作發(fā)表論文,，報(bào)道一種用于光固化4D打印的超高力學(xué)性能形狀記憶高分子材料。這種新材料在橡膠態(tài)斷裂應(yīng)變超過1240%,，在150%-250%的應(yīng)變區(qū)間可以重復(fù)加載超10000次,。此外，其優(yōu)異的光聚合性能使其成為數(shù)字光處理（Digital Light Processing - DLP）4D打印的理想材料，最高打印精度2微米,，在智能家居,、航空航天和軟體機(jī)器人領(lǐng)域應(yīng)用潛力非常大。該項(xiàng)研究被Advanced Materials后內(nèi)封面重點(diǎn)報(bào)道,。

4D打印是一種新興的制造技術(shù),，它能夠使打印出來的三維結(jié)構(gòu)的形狀在外界環(huán)境刺激下隨時(shí)間變化。與用于4D打印的其他主動(dòng)軟材料（Soft Active Materials -SAMs）相比,，形狀記憶高分子（Shape Memory Polymers - SMPs）具有更高的剛度,，并且能與各種3D打印技術(shù)兼容。其中,，采用DLP 3D打印技術(shù)打印可光固化SMP,，可以制造具有復(fù)雜幾何形狀和高分辨率的4D打印結(jié)構(gòu)。然而,，現(xiàn)有可光固化SMP在力學(xué)性能方面具有局限性（伸長(zhǎng)率偏低,、抗疲勞性能差等），這極大地限制了它們的應(yīng)用范圍,。因此,，亟需發(fā)展可承受大變形且具備抗疲勞能力的光固化SMP，以滿足工程應(yīng)用中對(duì)4D打印智能材料力學(xué)性能的高要求,。

圖 1. 超高力學(xué)性能的tBA AUD SMP用于基于DLP 3D打印技術(shù)的4D打印

聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)合作開發(fā)出了一種超高力學(xué)性能可光固化SMP體系,。該材料體系主要由丙烯酸叔丁酯（tBA）和脂肪族聚氨酯二丙烯酸酯（AUD）組成，故稱為tBA-AUD SMP體系,。如圖1所示,，該SMP體系極易光固化，與基于DLP的3D打印技術(shù)兼容,，可以制造出高分辨率-高度復(fù)雜的3D結(jié)構(gòu),。研究團(tuán)隊(duì)開展了大量實(shí)驗(yàn)，研究tBA-AUD SMP體系的大變形機(jī)理和探索其在高承載-大變形結(jié)構(gòu)中的工程應(yīng)用,。

圖 2. tBA-AUD SMP前驅(qū)體溶液的相關(guān)特性

如圖2所示,，通過流變測(cè)量、凝膠分?jǐn)?shù)試驗(yàn)和固化時(shí)間測(cè)試表征了tBA-AUD SMP前驅(qū)體溶液的3D打印性能,。交聯(lián)劑AUD含量在50 wt%以下前驅(qū)體溶液具有較低的黏度,，適用于DLP 3D打印。AUD含量越高, tBA-AUD SMP體系的平衡凝膠分?jǐn)?shù)越高,，固化相同厚度的前驅(qū)體溶液所需的時(shí)間越短,。

圖 3. tBA-AUD SMP體系的熱力學(xué)性能

如圖3所示，通過熱力學(xué)性能測(cè)試標(biāo)定了tBA-AUD SMP體系的大變形,、形狀記憶和耐疲勞性能。tBA-AUD SMP體系在編輯溫度（80 °C）下具有較低的彈性模量和超高的斷裂伸長(zhǎng)率。tBA-AUD SMP 體系具有近乎100%的形狀固定率和良好的形狀恢復(fù)率（~90%）,。此外,，這種SMP材料可以承受超過10000次大變形循環(huán)加載（循環(huán)應(yīng)變150%-250%）。

圖 4. tBA-AUD SMP體系的大變形機(jī)理

如圖4所示,，通過紅外光譜測(cè)試,、應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)和單軸拉伸試驗(yàn)對(duì)比新鮮試樣和10000次疲勞后試樣，以闡釋tBA-AUD-SMP體系的大變形和抗疲勞機(jī)理,。AUD交聯(lián)劑的高分子量和氫鍵的綜合作用賦予了tBA-AUD SMP體系大變形性和抗疲勞性,。

圖 5. tBA-AUD SMP三維構(gòu)件的高度變形能力及其在智能家具中的工程應(yīng)用

圖 6. tBA-AUD SMP在航空航天中的應(yīng)用

如圖5和圖6所示，3D打印的 tBA-AUD SMP三維構(gòu)件具有高度變形能力,，在智能家居和航空航天等工程應(yīng)用中潛力巨大,。tBA-AUD SMP的斷裂伸長(zhǎng)率遠(yuǎn)高于先前報(bào)道的各種可3D打印SMP。使用tBA-AUD SMP打印的三維結(jié)構(gòu)具有大變形能力和高承載能力,，使其成為制造帶有SMP鉸鏈的智能家具的理想材料,。利用tBA-AUD SMP的快速熱響應(yīng)能力，可以制作用于展開太陽能電池板的智能鉸鏈,。通過穿過鉸鏈微孔的電阻絲的加熱,，折疊編輯的鉸鏈可在1分鐘之內(nèi)恢復(fù)到筆直狀態(tài)，完成太陽能電池板的快速部署,。

該項(xiàng)研究開發(fā)了適用于DLP打印的大變形-抗疲勞形狀記憶聚合物光敏樹脂,，可以滿足各類4D打印工程應(yīng)用對(duì)先進(jìn)智能材料的高斷裂應(yīng)變、高抗疲勞能力,、高承載能力和適應(yīng)于先進(jìn)制造工藝等的綜合要求,。

西北工業(yè)大學(xué)副教授張彪、南方科技大學(xué)博士后李紅庚和博士生程健翔為論文共同第一作者,。葛锜為論文的通訊作者,，南方科技大學(xué)為唯一通訊單位。該項(xiàng)研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金,、深圳市仿生機(jī)器人與智能系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,、廣東省普通高校人體增強(qiáng)與康復(fù)機(jī)器人重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和陜西自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃等項(xiàng)目資助。