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光固化形状记忆复合材料的4D打印及应用探索

光固化形状记忆复合材料的4D打印及应用探索

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作者：苗淑淑北京化工大学

学位级别：硕士

3D打印成形的刺激响应材料制件不仅具有复杂结构,且其形状、颜色、性能和功能等在外部环境（包括温度、电、光、磁、水等）的刺激下会随着时间的推移发生变化,即4D打印技术。4D打印赋予了静态打印结构动态的特性,是实现制件复杂结构-功... 详细信息

3D打印成形的刺激响应材料制件不仅具有复杂结构,且其形状、颜色、性能和功能等在外部环境（包括温度、电、光、磁、水等）的刺激下会随着时间的推移发生变化,即4D打印技术。4D打印赋予了静态打印结构动态的特性,是实现制件复杂结构-功能一体化制备的关键技术,已成为一种不可或缺的生产制造方式。其中,基于光固化成型的数字光处理（DLP）技术由于具有打印分辨率高、打印速度快的优势,在4D打印中备受关注。然而,目前基于DLP的4D打印技术仍然存在打印材料种类有限、功能单一、力学性能不足等问题使其应用受限,亟待开发基于光固化复合材料的4D打印,以增强材料的功能特性和力学性能,并进一步拓展其应用。本论文设计开发基于形状记忆聚合物（SMP）树脂前驱体和无机填料的紫外固化体系,通过高分辨率DLP的4D打印技术,制备了复杂三维复材结构,并优化了其性能。本研究为利用DLP技术制备具有优异力学性能的功能材料提供了一定的启示。具体研究如下:（1）本文开发了一种由钕铁硼（Nd Fe B）磁性颗粒和光固化SMP树脂前驱体组成的紫外固化磁性形状记忆复合材料（mag SMC）体系,该体系具有与DLP打印技术的兼容性、形状记忆性、700倍于自身的力学承载能力、优异的光热转换性能和较大的矫顽力。因此,通过基于DLP的4D打印技术制备的mag SMC软致动器不仅具有复杂三维结构,还具有光磁双刺激响应性,从而实现实时可重复编程。一方面,利用Nd Fe B的光热效应,在近红外二区（NIR-II）的1064 nm光照的开/关状态下,每个mag SMC元素都可以在解锁和锁定状态之间独立、可逆的切换,定义为二进制码的“1”和“0”状态,从而实现NIR-II光的二进制编码编程;另一方面,由于Nd Fe B具有巨大的矫顽力,在致动磁场的作用下可以精确、远程地诱导NIR-II编程的mag SMC软致动器的实时变形。最后,本论文利用磁场和光场的协同控制,实现了4D打印的含羞草变形、抓手抓取并运输重物、机器人引导软线运动。（2）本文开发了一种由碳纤维（CF）粉和SMP树脂前驱体组成的光/热双引发剂协同固化的形状记忆复合材料体系。该体系除了具有与DLP打印技术的兼容性和形状记忆特性外,其力学性能显著提升,且表现出优异的电磁波吸收能力。首先,复合材料体系中的光引发剂苯基双（2,4,6-三甲基苯甲酰基）氧化膦（819）可以使其通过DLP光固化打印快速成型;由于热辐射穿透深度更深,体系中的热引发剂2,2’-偶氮二异丁腈（AIBN）可使成型样件的内部树脂在热处理下实现完全固化。其次,相较于纯SMP,高模量CF的加入使得完全固化成型的复合材料的杨氏模量和拉伸强度均提高了约60%。光/热双引发剂协同引发为DLP打印的CF复合材料构件力学性能的优化提供了新的有效策略。最后,对DLP打印的CF形状记忆复合材料样件的电磁波吸收能力做了初步探索。结果表明,当复合材料样件中CF含量为5 wt%,样件厚度为7.1mm时,其在11.87 GHz处最低反射损耗(RLmin)值达到了-50.97 d B,表现出优异的电磁波损耗能力。

关键词：光固化4D打印形状记忆复合材料实时可编程致动碳纤维增强

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