精確可編程的變形，共擠出4D打印(CE-4DP)策略，華中科大&吉林大學團隊成果

形狀記憶聚合物在生物醫(yī)療和機械工程等方面有廣泛的應用前景。然而，大部分形狀記憶聚合物編程過程中需要加熱，例如水浴和油浴，然而這種環(huán)境間接加熱方法加熱速率和溫度有限，尤其對于高性能材料這限制了賦形的條件和精確程度。華中科技大學臧劍鋒教授團隊與吉林大學張志輝教授團隊合作，報告了一種共擠出4D打印(CE-4DP)策略，該策略將連續(xù)的金屬纖維集成到熱塑性形狀記憶聚合物中，在聚合物基體中建立電加熱路徑直接加熱，使得復合材料的升溫速度增加了70倍。提出了分析模型和可打印相圖來解釋CE-4DP的機理和復合打印質(zhì)量控制方法，實現(xiàn)了形狀記憶聚合物復合材料有選擇地、順序地加熱，從而產(chǎn)生精確和可編程的變形，并將其用于形狀記憶變形的自感知。

在CE-4DP過程中，連續(xù)金屬纖維（CMF）在進料口逐漸被熔融聚合物包圍，并受到向下的摩擦力。當聚合物在基板上固化時，纖維的末端受到約束并固定，獲得與噴嘴相同的打印速度，最終形成帶有CMF的聚合物路徑層(CMF@polymer path)。研究選用Cr20Ni80纖維和Tg為143℃的高性能PEEK為例來演示CE-4DP策略（圖1）。

△圖1 CE-4DP形狀記憶聚合物的原理和方法。

CE-4DP打印可分為有序、準有序和無序三個級別。在有序模式下，CMF纖維并不與打印路徑完全重合，而是在兩端產(chǎn)生了滑移。因此對不同打印參數(shù)（打印間距和打印速度）下的滑移經(jīng)行了分析，提高打印速度(從37.5 mm/min到300 mm/min)會使滑移距離增加1.7倍左右 ，最終構(gòu)建了定量的CE-4DP可打印相圖(圖2)。

△圖2 CE-4DP的可打印相圖和打印性能分析

通過CE-4DP制備了復合手和百葉窗結(jié)構(gòu)。對纖維依次通電，可以實現(xiàn)手指按順序順序恢復，或者同時施加不同大小的電路可以實現(xiàn)手指不同速度的回復。通過對百葉窗結(jié)構(gòu)局部加熱，可以實現(xiàn)區(qū)域的形狀記憶變形。這在油浴或烘箱中是無法實現(xiàn)的，因為樣品會整體加熱。

△圖3 CMF@PEEK復合材料的選擇性形狀記憶變形和精確控制。

通過CE-4DP制備了20 mm×5 mm的復合CMF@PEEK樣品，對彎曲變形進行自感知。得到纖維電阻變化與樣品恢復角度之間的映射關(guān)系（圖4）。

△圖4 CMF@PEEK復合材料形狀記憶變形的自感知性能。

成果以“Co-extrusion 4D printing of shape memory polymers with continuous
metallic fibers for selective deformation”為題發(fā)表于Composites Science and Technology。

論文信息：
Zhou Y, Yang Y, Jian A, et al. Co-extrusion 4D printing of shape memory polymers with continuous metallic fibers for selective deformation[J]. Composites Science and Technology, 2022: 109603.

論文鏈接：
https://authors.elsevier.com/a/1fJmlyZzKyV3x