哈工大冷劲松院士团队：4D打印连续纤维增强形状记忆聚合物复合材料-优快云博客

4D打印形状记忆聚合物的研究已经取得了相当大的进展。然而，大多数4D打印结构面临着一个共同的挑战，即它们无法满足承载或多功能组件所需的高机械性能和多驱动特性。多材料4D打印的出现解决了这个问题，目前已有多种功能性长纤维被用作形状记忆聚合物4D打印中的增强材料，以制造多功能和高强度的复合材料。

3D打印技术参考注意到，哈尔滨工业大学（HIT）冷劲松院士团队于近期在Top期刊《Composites:Part A》上以“4D printed continuous fiber reinforced shape memory polymer composites with enhanced mechanical properties and shape memory effects”为题，发表了连续纤维增强形状记忆聚合物机械性能和形状记忆效应方面的研究。

https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2024.108085

研究背景

增材制造技术能够快速集成3D结构与复杂几何形状。最初，3D打印在生物医学、柔性电子、智能机器人和空间科学等领域得到应用。传统上，3D打印组件相对于传统工艺制备的组件的优势主要与几何复杂性和较短的生产周期有关，而对功能和适用性的关注有限。然而，能够响应外部刺激的智能可编程材料的出现为3D打印领域开辟了新的可能性。通过将3D打印技术与这些材料相结合，引入了4D打印的概念。与传统的3D打印相比，4D打印引入了一个额外的维度，即时间。这使得3D打印组件能够响应外部刺激（例如热、光、电、溶液或磁场）而改变其形状或功能。

形状记忆聚合物（SMP）是智能材料，当受到外部刺激时，可以从临时配置恢复到预先设计的形状。这些材料已广泛应用于4D打印，可以创建随时间变化的结构。研究人员开发了各种具有高变形性和抗疲劳性以及与3D打印技术兼容的形状记忆聚合物系统。这些系统具有复杂的高分辨率结构，并拥有在显著变形下的应力应变响应方面模仿生物材料的超材料特性。4D打印形状记忆聚合物的实用性扩展到了主动组件的制造，如自折叠铰链和智能折纸超材料，这些组件可以进行形状变换并根据热刺激调节其机械性能，凸显了此类材料彻底改变设计响应性强、适应性强的材料和设备的潜力。

研究要点

研究人员采用纤维/聚合物原位浸渍共挤4D打印工艺制备了连续纤维增强形状记忆聚合物。全面研究了4D打印的材料的内部缺陷分布、表面形态、拉伸/弯曲/压缩性能和形状记忆性能。具体而言，4D打印的连续纤维增强复合材料的内部缺陷分布通过利用微CT扫描来表征。进行了系统的拉伸、三点弯曲和压缩试验，以评估其力学性能。使用扫描电子显微镜（SEM）仔细检查试样失效后的表面形态，以揭示其在各种加载模式下的失效机制。此外，通过形状恢复试验评估了这些材料的形状记忆效果，病使用与有限元软件ABAQUS兼容的本构模型来预测它们的形状记忆响应。