4D打印高回复应力形状记忆聚合物复合材料与结构研究

4D printing is a novel extension of 3D printing by incorporating time into the shape forming process and has a spectrum of promising applications. However, it also faces some challenges in practical applications because most current 4D printing technologies use soft materials and thus have relatively small output stress upon shape changing. Shape memory polymers are one of the most used materials for 4D printing; however it also suffers low recovery stress. This project will develop a new shape memory polymer based composite structure that is expected to offer high recovery stress. This new structure will consist of an elastic matrix with high modulus and a material with phase transition. Taking the advantage of 3D printing for fabricating a solid with complex structures, simulation-based design will be used to obtain structures that provide the maximum recovery stress that is 5-10 times larger than the current shape memory polymers. A new 3D/4D printing process for this special dual materials system will also be developed. In addition, this project will explore other special properties that traditional shape memory polymers do not possess, for example, the recovery stress remains almost constant with the change of recovery strain. The results from this project will greatly advance 4D printing technology and broaden its application potential in engineering.

4D打印因增加了一个维度，即时间，将3D打印推进到了一个全新的智能打印阶段，应用前景广阔。不过，当前的4D打印虽然通过不同工作原理获得了形状的改变，但变形时材料柔软，输出的应力大小有限，极大地限制了其在工程中的应用。形状记忆聚合物因其形状记忆效应，是4D打印的天然材料，但低回复应力是其一直以来难以逾越的缺陷，已有的研究与方法收效有限。本项目另辟新径，通过对形状记忆聚合物分子结构的力学拓展以及利用3D打印对结构复杂程度的无局限性，将形状记忆聚合物设计成一个由高模量弹性体和可转变相组成的双材料复合结构并发展相应的3D/4D打印工艺，在数值模拟的辅助下通过对材料组成和结构的调控，拟将该4D打印复合材料的回复应力提高到传统形状记忆聚合物的5-10倍，并获得一些传统形状记忆聚合物不具备的特殊性能，比如回复应力随回复应变的变化几乎保持不变，以期进一步拓展4D打印技术的应用。

4D打印带来了3D打印构件形状和功能随时间的演化，在应用中可释放多个形状和不同的功能，将3D打印推向了智能打印阶段。形状记忆聚合物是4D打印的材料之一，但其较低的橡胶态模量制约了它的应用。本项目从形状记聚合物的力学模型入手，将形状记忆聚合物拆分为弹性模块和形状固定模块，对这两个模块分别进行力学设计和研究，提高其回复应力；两个模块的复杂力学结构促使我们通过3D打印的方式将二者同时制备，而两个模块的不同力学性能促使我们研究多材料3D打印系统及打印材料；我们对材料在基体中的形态和含量对3D打印复合材料的形状记忆性能进行了研究；我们进一步推进高回复应力4D打印技术的发展，研究了3D/4D打印光子晶体以及探索形状记忆聚合物复合材料的微纳打印。.我们开发出了梯度多材料3D打印系统及打印材料，材料的杨氏模量可在约1MPa到1GPa范围内调控，开发出形状记忆性能可按需调控的复合材料，将基体材料的杨氏模量提高了50倍之多且保持了复合材料的良好变性能力，开发出可改变永久形状的4D打印复合材料与结构，开发出可变形变色的3D/4D打印光子晶体， 提出并实现了3D/4D打印电子封装，微纳结构3D打印所需的微纳材料取得了良好的性能。我们揭示了高回复应力形状记忆聚合物复合材料的力学工作机理，揭示了形状记忆聚合物复合材料形状和功能转变的微观机制。我们的研究成果有望在航空航天、生物医学、防伪、电子封装等领域获得应用。