浙江大學(xué)謝濤團隊開發(fā)4D打印模塊化結(jié)構(gòu)

來源：謝濤課題組

4D打印在3D打印的基礎(chǔ)上增加了隨時間變形的第四維度，是一種新興的數(shù)字化、智能化制造技術(shù)。其將化學(xué)領(lǐng)域的分子自組裝概念延伸到宏觀產(chǎn)品形狀的自組裝，被認為是一種具有潛在顛覆性的技術(shù)。根據(jù)其具體成型方式，4D打印可以分為：直接3D打印受激形變材料和打印可變形為3D形狀的數(shù)字化2D平面。其中，后者由于只需要制備單層平面，可以有效克服傳統(tǒng)3D打印層層打印的固有局限，在制備一些特定3D結(jié)構(gòu)時具有速度上的巨大優(yōu)勢。但其二維變?nèi)S的機理也較大程度上限制了所能制備的形狀的復(fù)雜度，并且打印材料的性能較為單一。

近日，浙江大學(xué)化學(xué)工程聯(lián)合國家重點實驗室謝濤課題組在原有工作基礎(chǔ)之上（Adv. Mater. 2017, 29, 1605390 & ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11, 32408），提出了基于動態(tài)共價鍵交換的模塊化4D打印概念，旨在突破2D到3D變形模式的限制，拓展其成型復(fù)雜度及相關(guān)器件的功能。

這一概念的實現(xiàn)依賴于光固化打印前驅(qū)液中動態(tài)共價鍵的引入，以及對打印的動態(tài)高分子網(wǎng)絡(luò)性能的良好調(diào)控。在室溫條件下，動態(tài)鍵處于休眠狀態(tài)，通過控制數(shù)字光固化的曝光參數(shù)，可以制備得到具有不同形狀及性能的的模塊單元。在高溫下（160 oC），動態(tài)鍵被激活，可以將這些模塊單元通過界面間的鍵交換反應(yīng)實現(xiàn)高效焊接，從而得到具有復(fù)雜形狀的多材料結(jié)構(gòu)。

基于動態(tài)共價鍵交換體系的模塊化4D打印

利用該模塊化4D打印方式，可以實現(xiàn)多級晶格結(jié)構(gòu)、互鎖結(jié)構(gòu)和立體三浦折疊等多種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制備。這些三維結(jié)構(gòu)可以通過形狀記憶及塑性變形兩種方法進一步豐富其變形行為。

單層4D打印曝光區(qū)域與時間的調(diào)控及其變形結(jié)果

模塊組裝得到的復(fù)雜結(jié)構(gòu)及其形狀記憶變形

由于該方法的通用性，所制備的不同材料模塊（包括結(jié)晶型韌性材料，橡膠態(tài)彈性材料和玻璃化硬質(zhì)塑料）均可實現(xiàn)組裝，獲得具有復(fù)合性能的多材料功能性結(jié)構(gòu)。借助不同材料熱力學(xué)性能差異，組裝體在升溫過程中可以實現(xiàn)次序變形，獲得多形狀響應(yīng)功能。結(jié)合特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計，還能增強變形過程中的力學(xué)穩(wěn)定性。

多材料的模塊化4D打印及其功能性研究

該工作以“Modular 4D printing via interfacial welding of digital light controllable dynamic covalent polymer networks”為題在線發(fā)表于Cell Press旗下材料學(xué)期刊Matter上。其中，博士生方子正和碩士生宋慧潔為共同第一作者，趙騫副教授和謝濤教授為通訊作者。該研究工作得到國家自然科學(xué)基金的支持。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.matt.2020.01.014

謝濤團隊長期招聘高分子相關(guān)方向的博士后與技術(shù)員，有意者可與趙騫副教授聯(lián)系(Email: qianzhao@zju.edu.cn)。