连续纤维增强形状记忆复合材料4D打印技术可实现复杂结构部件在时空维度形状及性能可控变化，成为近年来兴起的一项极具应用前景的新技术。然而，传统连续纤维增强形状记忆复合材料存在显著各向异性，导致材料在沿纤维横向和厚度方向的导热性能和机械性能较差，严重影响了智能复合材料的响应速率及实际工程应用。特别是面对极端服役环境，在有限质量的情况下实现优异力学承载与快速响应形状重构等多功能融合的复杂结构一体化成型制造仍然充满挑战。针对上述问题，西安交通大学段玉岗教授团队提出了一种多尺度三维碳介质增强热固性形状记忆复合材料4D打印制造方法，实现了均质化的多尺度复合材料复杂结构成型制造，有效解决了传统智能复合材料制造结构单一、难以实现均质化高性能多尺度复杂复合材料结构制造等问题。该工作以“4D Printing of 3D Carbon-Medium Reinforced Thermosetting Shape Memory Polymer Composites with Superior Load-Bearing and Fast-Response Shape Reconfiguration”为题发表在《Advanced Functional Materials》期刊上。西安交通大学机械工程学院博士生王杰为论文第一作者，王奔副教授和段玉岗教授为论文共同通讯作者，西安交通大学为论文的唯一通讯单位。该研究得到中央军委装备发展部装备重大基础研究项目、国家自然科学基金、广东省重点研发项目、中央高校基本科研业务费等项目的支持。
三维碳介质增强热固性形状记忆复合材料4D打印制造方法
传统连续纤维增强复合材料横向导热性较差，严重影响了智能复合材料的响应速率。该研究提出了一种多尺度三维碳介质增强体结构，能够在复合材料内部实现多向导热及力学传递路径，从而大幅提高了复合材料形状记忆变形速率及力学承载能力。基于该三维增强体结构，该研究提出了三维碳介质均质化增强热固性形状记忆复合材料4D打印制造方法，将微观介质（石墨烯）均匀分散至热固性形状记忆聚合物基体，之后与连续碳纤维丝束预浸制成均质打印丝束，再经过打印制造工艺可实现均质化的多尺度复合材料复杂结构成型制造，同时还能满足多种变刚度、变密度、超结构等新型复合材料结构制造需求。
图1 GR-CCF/Ts-SMP复合材料打印制备过程实现快速激励响应一直是形状记忆复合材料追求目标。然而，由于无法形成有效的三维连续导热网络，传统的连续纤维增强形状记忆复合材料在快速热响应方面存在局限性。为此，该研究开发了一种由石墨烯与连续碳纤维协同组成的三维碳介质导热网络，均匀分布在热固性SMP中的石墨烯可以有效地连接连续纤维束的间隙，从而提高材料的整体导热性能。当石墨烯填充浓度为0.75wt%时，材料沿纤维横向热导率及厚度方向热导率相较于未添加的情况分别提升了145.07%和63.64%。受限于沿纤维横向及厚度方向较差的导热性能，连续纤维复合材料整体热响应速率慢，该研究提出的三维碳介质增强体在提升材料整体热导率的同时，可有效改善复合材料形状记忆回复过程中性能表现。GR-CCF/Ts-SMP 复合材料在0.75wt%石墨烯填充浓度下表现出优异的形状记忆性能，材料形状固定率和形状恢复率分别为 98.62% 和 99.07%。在打印的多种复杂结构如蜂窝结构、基于榫卯结构的锁紧释放结构中均表现出良好的形状记忆与回复。此外，在近红外光激励下，结构可在 6s 内可实现局部形状响应重构，在无线远程控制、快速响应驱动等场景中极具应用潜力。图3 GR-CCF/Ts-SMP复合材料形状记忆性能传统形状记忆聚合物受限于较低的力学性能在一些需要高承载能力的实际工程应用中往往受到限制。该研究提出的三维碳介质增强结构在为热固性形状记忆聚合物提供多向导热通路的同时，也有效改善了连续纤维与聚合物基体之间的力学界面，使材料表现出更优异的机械承载性能。在0.75 wt% 石墨烯填充含量及45wt%纤维填充含量下，材料表现出良好的力学性能，弯曲强度可达676.99 MPa，对于形状记忆复合材料在工程实际应用中具有重要意义。基于前述的系统研究，通过三维碳介质增强热固性形状记忆复合材料4D打印，可实现超强承载能力、快速响应形状重构、局部精确变形控制等多功能融合。在此基础上，该研究进一步结合了一种典型的花瓣结构来展示其多功能特性，并探索其在空间可展开结构及能量存储等领域中的应用前景。结果表明，花瓣结构在多个形状编程过程中表现出卓越的形状可重构性和形状回复，可用于各种复杂形状表面的锁定和能量存储。在整体加热环境中，与未添加石墨烯的情况相比，该复合材料结构热响应速率提高了一倍。同时，这种结构还能对近红外光的局部激发做出响应。该结构也具备优异的力学承载性能，可轻松承载自身重量1000倍以上。此外，它未来还有望能很好地应用于空间可展开结构锁紧抱箍，如锁紧大尺寸宽度薄膜（自然状态下高度为 1.5 米，直径为 200 毫米）。图5 结构功能一体化GR-CCF/Ts-SMP复合材料构件该研究提出了一种新型的多尺度三维碳介质增强体结构，并提出了石墨烯-连续碳纤维协同增强热固性形状记忆复合材料 4D 打印策略。该研究实现了高性能热固性形状记忆复合材料复杂结构的一体化成型制造，对于推动形状记忆复合材料在大型空间可展开天线锁紧结构、柔性太阳帆支撑结构、智能机器人轻量化驱动结构等领域工程化应用具有重要意义。段玉岗教授课题组主页：
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论文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202409611声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！
