4D打印技術(shù)將增材制造與智能材料相結(jié)合，能夠制造出具有動態(tài)特性和可定制幾何形狀的自適應(yīng)結(jié)構(gòu)，在生物醫(yī)學(xué)、航空航天、軟體機(jī)器人和可穿戴電子設(shè)備等多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。然而，將多種智能材料融合應(yīng)用于多功能器件的研究仍然相對有限。目前，大多數(shù)4D打印結(jié)構(gòu)依賴于單一智能材料，因此在單獨(dú)使用時(shí)往往面臨固有的功能性局限。例如，基于液晶彈性體（LCE）的結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)可逆和連續(xù)的形態(tài)變化，但這些變化需要持續(xù)的外部刺激；而基于形狀記憶高分子（SMP）的結(jié)構(gòu)在去除外部應(yīng)力或刺激后，能夠保持穩(wěn)定的臨時(shí)形態(tài)，但這些形態(tài)變化通常是不可逆且不連續(xù)的。盡管近年來4D打印技術(shù)在多種智能材料融合方面已有一定進(jìn)展，利用4D打印實(shí)現(xiàn)多種智能材料的一體化打印及材料間功能協(xié)同，仍是一個(gè)相對較少探索且具有挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域。
近期，新加坡南洋理工大學(xué)周琨教授團(tuán)隊(duì)在《Materials Science and Engineering: R: Reports》期刊上發(fā)表題為“Hybrid 4D printing of flexible multifunctional composites by multi jet fusion and direct ink writing”的研究型文章。本文作者開發(fā)了一種新型的混合4D打印技術(shù)，該技術(shù)創(chuàng)新性地將多射流熔融技術(shù)（multi jet fusion, MJF）和墨水直寫技術(shù)（direct ink writing, DIW）相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了兩種智能材料的一體化打印，制備了兼具傳感-制動功能的液晶彈性體-形狀記憶高分子（LCE-SMP）復(fù)合材料。具體而言，本研究首次基于MJF技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了電導(dǎo)率可調(diào)SMP的4D打印，進(jìn)而利用DIW則將具有可編程液晶基元取向排列的LCE打印到SMP上（圖1）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用混合4D打印所制備的LCE-SMP復(fù)合材料成功地實(shí)現(xiàn)了LCE和SMP兩種智能材料的功能協(xié)同，不僅具備各種各樣可預(yù)編程的穩(wěn)定臨時(shí)形態(tài)，還具備可逆光熱制動能力，能夠?qū)崿F(xiàn)高效的仿生動態(tài)結(jié)構(gòu)演變與遠(yuǎn)程按需物體操控。同時(shí)，所打印的LCE-SMP復(fù)合材料在制動過程中展現(xiàn)出強(qiáng)大的自感知能力，能夠?qū)崟r(shí)反饋器件的性能和操作狀態(tài)。
圖1．混合4D打印多功能LCE-SMP復(fù)合材料示意圖
圖2. MJF 4D打印SMP的工藝過程及打印件性能
MJF是粉床3D打印和噴墨打印的結(jié)合，多用于制造結(jié)構(gòu)材料。為了實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電性可調(diào)的功能件的制備，作者提出通過調(diào)控MJF打印過程中所噴射的炭黑墨水的噴墨量來調(diào)控打印件的導(dǎo)電性這一策略。通過噴墨量精確控制和噴墨工藝優(yōu)化，作者成功實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)電性從絕緣到導(dǎo)電的大范圍可調(diào)的SMP的可控制備（圖2）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：MJF所打印的導(dǎo)電SMP不僅具有良好的形狀記憶效應(yīng)、可以被編輯成各種穩(wěn)定的臨時(shí)形狀，還呈現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械應(yīng)變感知能力，表現(xiàn)出高的傳感靈敏性和循環(huán)穩(wěn)定性，能夠?qū)Ω鞣N機(jī)械變形模式進(jìn)行傳感并輸出穩(wěn)定的電信號。
圖3. 混合4D打印的LCE-SMP復(fù)合材料的可逆光熱制動行為
圖4. 混合4D打印的LCE-SMP復(fù)合材料的光熱制動和自傳感功能
在MJF打印的導(dǎo)電SMP基底上通過DIW打印上LCE，即可得到LCE-SMP復(fù)合材料。如圖3和圖4所示，所打印的LCE-SMP復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)了LCE和SMP兩種智能材料的功能協(xié)同，表現(xiàn)出多功能性：（1）高效的熱制動和光熱制動能力，能夠?qū)崿F(xiàn)可逆的動態(tài)結(jié)構(gòu)構(gòu)筑，這是單獨(dú)的SMP材料無法實(shí)現(xiàn)的功能；（2）可被預(yù)編輯成各種穩(wěn)定的臨時(shí)形狀，且在光熱制動同時(shí)具備穩(wěn)健的形變自傳感能力，這是單獨(dú)的LCE材料無法實(shí)現(xiàn)的功能。
圖5. 混合4D打印的LCE-SMP復(fù)合材料抓手的按需操控和自傳感能力
基于上述LCE-SMP復(fù)合材料的特點(diǎn)，本文作者利用混合4D打印技術(shù)一體化地制備了具有導(dǎo)電路徑的SMP-LCE復(fù)合材料（圖5）。通過預(yù)形狀編輯和光輻照控制，所制備的SMP-LCE復(fù)合材料能夠像自適應(yīng)控制抓手一樣，實(shí)現(xiàn)對物體的遠(yuǎn)程按需操控，例如從長時(shí)間的靜態(tài)抓取態(tài)到釋放或從自由態(tài)到抓取轉(zhuǎn)移。同時(shí)，復(fù)合材料抓手能夠?qū)Σ倏貭顟B(tài)提供實(shí)時(shí)電信號輸出，從而為操控過程提供可靠反饋。這項(xiàng)工作展示了所開發(fā)的混合4D打印技術(shù)一體化制造多種智能材料的能力，為設(shè)計(jì)和構(gòu)建3D幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜的多功能材料提供了新思路和方法。所開發(fā)的兼具傳感-制動的多功能復(fù)合材料在未來智慧系統(tǒng)領(lǐng)域，特別是需要執(zhí)行多重任務(wù)的智能可穿戴柔性電子、軟體機(jī)器人等，具有巨大的吸引力和應(yīng)用潛力。
團(tuán)隊(duì)介紹：該論文第一作者為新加坡南洋理工大學(xué)博士后研究員陳梅和博士研究生安冉，通訊作者為新加坡南洋理工大學(xué)的周琨教授。文章合著者包括法國?貝爾福-蒙貝利亞技術(shù)大學(xué)的Frédéric Demoly教授和美國佐治亞理工大學(xué)齊航教授。周琨教授課題組依托于新加坡3D打印中心和惠普-南洋理工大學(xué)數(shù)字制造聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，長期從事多種增材制造技術(shù)（3D/4D打。┭芯，例如粉末熔融（MJF、SLM、SLS）、光固化（DLP、SLA）、擠出成型（DIW、FDM）等。目前聚焦于功能聚合物復(fù)合材料及高性能新金屬材料研發(fā)、先進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和多尺度模擬仿真、增材制造零件宏微觀力學(xué)性能表征及其應(yīng)用等。
原文鏈接: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0927796X24001207
