南方科技大學(xué)推出可重構(gòu)4D打印技術(shù)，開發(fā)共價自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)形狀記憶聚合物

2025年1月22日，南極熊獲悉，來自南方科技大學(xué)的研究人員推出了一種可重構(gòu) 4D 打印技術(shù)，大大簡化了制造變形結(jié)構(gòu)的方法。新技術(shù)通過為3D打印形狀記憶聚合物（SMP）結(jié)構(gòu)賦予可重構(gòu)性和可焊接性，為4D打印技術(shù)增加了價值。

相關(guān)成果以題為“Reconfigurable 4D printing viamechanically robust covalent adaptable network shape memory polymer/通過機(jī)械穩(wěn)健協(xié)同自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)形狀記憶聚合物實現(xiàn)可重構(gòu)4D打印”已發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》上。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adl4387

SMP材料因其相對較高的模量而被廣泛應(yīng)用于4D打印。大多數(shù)用于4D打印的SMP都是熱固性材料——這意味著，一旦確定了化學(xué)結(jié)構(gòu)，它們就只能“記住”一個永久的形狀。

近年來的一些研究將共價自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)（CAN）引入SMP，以實現(xiàn)多種可重構(gòu)永久形狀，但現(xiàn)有的動態(tài)共價SMP無法兼顧形狀記憶性能、變形重構(gòu)能力以及高精度打印性能。

針對上述問題，南方科技大學(xué)機(jī)械與能源工程系葛奇教授團(tuán)隊在可重構(gòu)4D打印技術(shù)方面取得重要進(jìn)展，開發(fā)出一種具有高力學(xué)性能的共價自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)形狀記憶聚合物（MRC-SMP），可用于數(shù)字光處理（DLP）高分辨率3D打印，實現(xiàn)可重構(gòu)、大變形、高精度的4D打印。

△圖1. MRC-SMP 的可重構(gòu)、大變形和高分辨率 4D 打印。（a）DLP 3D 打印機(jī)打印的高分辨率MRC-SMP 晶格結(jié)構(gòu)的大變形形狀記憶行為。（b）重構(gòu)的弧形MRC-SMP 晶格結(jié)構(gòu)的形狀記憶行為。（c）通過將三個 3D打印和重構(gòu)的 MRC-SMP 晶格結(jié)構(gòu)焊接到打印的圓形連接器上制造的形狀記憶夾持器。

利用DLP打印機(jī)打印MRC-SMP晶格結(jié)構(gòu)，展現(xiàn)出大變形形狀記憶行為（圖1a）。如圖1b所示，酯交換反應(yīng)引起的晶格結(jié)構(gòu)永久形狀重構(gòu)，以及形狀配置的MRC-SMP，仍然具備大變形性能和形狀記憶性能。此外，共價自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)還賦予MRC-SMP高強(qiáng)度的焊接能力。三個高精度打印的MRC-SMP晶格結(jié)構(gòu)和一個MRC-SMP連接器通過焊接和形狀重構(gòu)形成抓取式夾持器（圖1c）。MRC-SMP夾持器可先編程為展開狀態(tài)，然后通過形狀記憶恢復(fù)到抓取狀態(tài)，以舉起重物。

MRC-SMP 可重構(gòu)性能與多材料打印相結(jié)合，可以制造任意形狀的三維形狀記憶折紙結(jié)構(gòu)——大大減少了制造復(fù)雜 SMP 折紙結(jié)構(gòu)所需的時間。如圖 2a 所示，多材料折紙由 MRC-SMP 作為可變形鉸鏈，耐高溫高強(qiáng)度光固化樹脂作為剛性板表面制成。

△南方科技大學(xué)研究人員推進(jìn)可重構(gòu)4D打印——開發(fā)共價自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)形狀記憶聚合物（MRC-SMP）。

圖 2. 多材料可重構(gòu)形狀記憶折紙。 (ab) 可重構(gòu)形狀記憶折紙的多種形狀重構(gòu)和形狀記憶行為。 (d) 重構(gòu)的折紙形狀 2 承載重物的快照。 (e) 在室溫下對不同折紙形狀進(jìn)行壓縮測試。

MRC-SMP 的顯著變形能力使一張打印折紙能夠快速重新配置成多個 SMP 折紙（圖 2a-c）。MRC-SMP的高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度確保 3D 折紙結(jié)構(gòu)在室溫下具有高剛度，并能支撐重載（圖 2d-e）。

南方科技大學(xué)機(jī)械與能源工程系研究助理教授李洪庚為該論文的第一作者，葛奇教授為通訊作者，南方科技大學(xué)為第一附屬單位。

這項研究得到國家自然科學(xué)基金、廣東省珠江人才計劃、廣東省自然科學(xué)基金和深圳市科技創(chuàng)新委員會的資助。