精确可编程的变形，共挤出4D打印(CE-4DP)策略，华中科大&吉林大学团队成果

形状记忆聚合物在生物医疗和机械工程等方面有广泛的应用前景。然而，大部分形状记忆聚合物编程过程中需要加热，例如水浴和油浴，然而这种环境间接加热方法加热速率和温度有限，尤其对于高性能材料这限制了赋形的条件和精确程度。华中科技大学臧剑锋教授团队与吉林大学张志辉教授团队合作，报告了一种共挤出4D打印(CE-4DP)策略，该策略将连续的金属纤维集成到热塑性形状记忆聚合物中，在聚合物基体中建立电加热路径直接加热，使得复合材料的升温速度增加了70倍。提出了分析模型和可打印相图来解释CE-4DP的机理和复合打印质量控制方法，实现了形状记忆聚合物复合材料有选择地、顺序地加热，从而产生精确和可编程的变形，并将其用于形状记忆变形的自感知。

在CE-4DP过程中，连续金属纤维（CMF）在进料口逐渐被熔融聚合物包围，并受到向下的摩擦力。当聚合物在基板上固化时，纤维的末端受到约束并固定，获得与喷嘴相同的打印速度，最终形成带有CMF的聚合物路径层(CMF@polymer path)。研究选用Cr20Ni80纤维和Tg为143℃的高性能PEEK为例来演示CE-4DP策略（图1）。

△图1 CE-4DP形状记忆聚合物的原理和方法。

CE-4DP打印可分为有序、准有序和无序三个级别。在有序模式下，CMF纤维并不与打印路径完全重合，而是在两端产生了滑移。因此对不同打印参数（打印间距和打印速度）下的滑移经行了分析，提高打印速度(从37.5 mm/min到300 mm/min)会使滑移距离增加1.7倍左右 ，最终构建了定量的CE-4DP可打印相图(图2)。

△图2 CE-4DP的可打印相图和打印性能分析

通过CE-4DP制备了复合手和百叶窗结构。对纤维依次通电，可以实现手指按顺序顺序恢复，或者同时施加不同大小的电路可以实现手指不同速度的回复。通过对百叶窗结构局部加热，可以实现区域的形状记忆变形。这在油浴或烘箱中是无法实现的，因为样品会整体加热。

△图3 CMF@PEEK复合材料的选择性形状记忆变形和精确控制。

通过CE-4DP制备了20 mm×5 mm的复合CMF@PEEK样品，对弯曲变形进行自感知。得到纤维电阻变化与样品恢复角度之间的映射关系（图4）。

△图4 CMF@PEEK复合材料形状记忆变形的自感知性能。

成果以“Co-extrusion 4D printing of shape memory polymers with continuous
metallic fibers for selective deformation”为题发表于Composites Science and Technology。

论文信息：
Zhou Y, Yang Y, Jian A, et al. Co-extrusion 4D printing of shape memory polymers with continuous metallic fibers for selective deformation[J]. Composites Science and Technology, 2022: 109603.

论文链接：
https://authors.elsevier.com/a/1fJmlyZzKyV3x