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佐治亞理工學院齊航教授 AFM：降溫速率調控形態 - 新型4D打印復合材料

2022-07-26 來源：高分子科技

隨著多材料3D打印（4D打印）的發展，新型復合材料不斷應運而生。液晶彈性體(Liquid crystal elastomer, LCE)和形狀記憶聚合物(Shape memory polymer, SMP)等智能材料由于其形狀和性能可以隨外界刺激的變化而變化，而常被用于構建多功能復合材料。LCE可以產生快速并且可逆的形狀變化，但是因其自身的柔軟特性，需要維持驅動溫度來保持其變形形狀; SMP具有良好的機械性能，但很少能實現可逆驅動。因此，要實現快速、可逆、可調并且具有良好機械性能的形變仍然是一挑戰。

鑒于此，佐治亞理工學院齊航教授團隊與合作者們開發了一種基于4D打印的LCE-SMP復合材料。該復合材料不僅可以實現快速、可逆的大變形，同時可以對形態的調控，在驅動后保持~1GPa的機械剛度。為了實現這一形態調控，該團隊利用LCE與SMP之間熱機械性能的時間相關性差異，通過控制復合材料升溫驅動后的降溫速率來控制材料最終冷卻后的高剛度形態，并且無需借助外力對材料形態進行編程。文章以“4D Printed Multifunctional Composites with Cooling-Rate Mediated Tunable Shape Morphing（基于冷卻速率調控的形變可調4D打印多功能復合材料）”為題，在線發表于《Advanced Functional Materials》上。

圖1：多材料3D打印方法與LCE-SMP雙層復合材料的多形態變形原理

本文提出的新型復合材料的打印方法以及形變控制原理如圖1所示。團隊使用自主開發的多材料混合3D打印機^[^1]來打印制造該復合材料。其中，SMP部分由數字光處理系統（Digital light processing, DLP）固化打印，而LCE部分由墨水直寫系統(Direct ink writing, DIW)擠出構建。在LCE墨水的擠出打印過程中，液晶分子分子鏈受剪切而呈向列狀態有序排列。一旦升溫至一特定溫度（T_NI），LCE中的液晶向列（Nematic）排列將轉變為各向同性（Isotropic）排列，其宏觀表現為在打印方向的大幅收縮，從而實現變形驅動。SMP具有粘彈性，在溫度高于玻璃態轉變溫度（T_g）時模量低，易于實施變形，而在溫度低于玻璃態轉變溫度時具有高模量、高機械強度。由于二者的熱機械性能差異，在低溫時復合材料的形態由SMP主導鎖定，而高溫形態則由LCE主導驅動。

二者的性能差異不僅體現在模量上，也體現在對溫度變化速率的響應上，這也是本研究控制復合材料最終形態的關鍵所在。SMP的玻璃化轉化是一個動力學過程，或者二階相轉換，對溫度變化率不敏感，因此模量能夠快速響應溫度的變化而改變；而LCE的相轉化是一階相轉換，對溫度變化率敏感，宏觀形態對溫度的響應則相對滯后，在快速降溫的情況下，相轉化可能不能及時完成。

如此一來，對于高溫下的（T>T_g）復合材料，溫度快速下降時（冰水浴），SMP能夠迅速硬化鎖定復合材料形狀，保持驅動變形；而溫度緩慢下降時（室溫冷卻），LCE能連同復合材料夠恢復原本打印形態。為了更直觀展現這一過程，研究人員還在SMP材料中添加了溫敏染料，使得SMP在低溫下（<T_g）顯為黑色，高溫時（>T_g）變為粉紅色。

圖2：LCE-SMP雙層復合材料的可控彎曲變形

研究人員首先對簡單的LCE-SMP雙層復合材料在不同降溫速率下的形態響應進行了表征實驗與仿真模擬。長條形的樣本打印出時形態平直，而在升溫加熱后被LCE驅動變形彎曲。此時，快速冷卻能夠鎖定雙層材料的彎曲變形，而室溫冷卻則能恢復材料的原本的平直狀態。

圖3：多樣的LCE-SMP復合材料驅動裝器

基于以上原理，研究團隊設計并展示了多種多樣的LCE-SMP復合材料驅動器，通過設計LCE在SMP中的形態與分布，它們能夠被升溫變為各樣的驅動形態，并且能按需鎖定驅動形態或恢復打印形態。值得一提的是，由于SMP在低溫下的高剛度，被鎖定的驅動形態也能夠承載高強負荷，并且這一過程可以循環往復。

圖4：可調并可重構的超材料

研究人員更進一步利用這一特性設計并打印了可調節、可重構的超材料結構。團隊通過控制冷卻方法，展現了同一超材料的三種冷卻形態，而不同的形態具有顯著不同的力學特性。

圖5：能夠調節適應不同尺寸螺母的LCE-SMP復合材料扳手

研究人員最終還在文中展示了該方法的一項有趣應用——能夠調節適應不同尺寸螺母的復合材料扳手。扳手的打印尺寸適配M5型號的螺母，而經過加熱并快速冷卻，該扳手能夠擰緊M4的螺母。需要之時，該扳手還能夠通過加熱、室溫冷卻恢復到適配M5的尺寸。

該論文的通訊作者為佐治亞理工學院齊航教授。佐治亞理工學院Devin Roach博士，孫曉昊博士，與博士生彭錫睿為本文的共同第一作者。文章合著者包括法國Belfort-Montbéliard技術大學Frédéric Demoly教授和新加坡南洋理工大學周琨教授。

原文鏈接： https://doi.org/10.1002/adfm.202203236

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（責任編輯：xu）

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