[發明專利]4D打印電響應折疊展開復合材料、制造及其形狀記憶行為的調控方法

有效

• 申請號: 202011245214.7
• 申請日: 2020-11-10
• 公開（公告）號: CN112500684B
• 公開（公告）日: 2022-04-26
• 發明（設計）人: 黃舒;張航;單銘遠;盛杰;周建忠;魏潔安;周雙留;徐瑋
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: C08L63/00
• 分類號: C08L63/00;C08L75/04;C08L25/06;C08L79/08;C08K7/00;C08K3/08;C08K3/22;B29C64/10;B33Y10/00;B33Y70/10;B33Y80/00;B82Y30/00;B82Y40/00
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• 代理人: 暫無信息

本發明涉及4D打印領域，提供了一種4D打印電響應折疊展開復合材料、制造及其形狀記憶行為的調控方法。在逐層打印過程中，通過噴涂、激光輻照納米熔焊法處理的方式將導電層嵌入預先設計的形狀記憶聚合物基體內，制造可實現電響應形狀記憶行為的折疊展開結構。同時，通過對通電電熱層數目以及通電電壓大小的調整，控制電響應形狀記憶折疊展開結構內熱影響區的分布及范圍，結構回復力F_回與阻礙回復的力F_阻之間的競爭關系，從而實現對結構形狀回復速度以及形狀回復程度的調控。本發明具有在大彎曲變形下，電熱層電致生熱性能穩定，且結構形狀回復速度可調，形狀回復程度可精確控制等突出特點。

技術領域

本發明屬于4D打印技術領域，尤其涉及到一種4D打印電響應折疊展開復合材料、制造及其形狀記憶行為的調控方法。

背景技術

4D打印是通過智能材料和智能結構的增材制造技術，實現構件的形狀、性能或功能在時間和空間維度上的可控，滿足變形、變性和變功能的應用需求，實現材料—結構—功能一體化制造的新技術。然而，目前的4D打印研究都集中在了熱響應形狀記憶材料的打印上，由于打印出的結構在環境中整體受熱，很難實現形狀記憶行為的可控（比如形狀回復程度、速度的調控），還達不到變性和變功能的應用需求。

電響應形狀記憶材料以嵌入體內的電熱層產生的焦耳熱為激勵源，具有可低電壓響應、可遠程驅動、易于改變體內熱場分布的特點，在實現4D打印結構與變性、變功能方面具有巨大的應用潛力。

如中國發明專利申請CN110962161A提出了一種4D打印可編程化控制電致加熱、能按預定的變形順序和變形路線變形的階段變形執行裝置，為實現順序變形智能材料/結構的4D打印提供了可以借鑒的方法。該發明專利申請雖然解決了4D打印電響應形狀記憶材料領域的一些技術問題，但對于形狀記憶行為的調控問題并沒有提出解決方法，如形狀回復程度、形狀回復速度；而形狀記憶行為的可控對于4D打印實現功能應用具有重要的意義，比如精確控制4D打印結構形狀回復程度至特定百分比時結構停止回復，又比如結構在形狀回復過程中可以實現變速回復。

同時，4D打印電響應形狀記憶結構還存在著電熱層與形狀記聚合物基體層之間粘附性差的問題，結構彎曲時，電熱層易斷裂、脫落，嚴重影響電熱性能，進而影響到結構的電響應形狀記憶性能。中國發明專利申請CN109228302A提出了一種基于3D打印的電驅動形狀記憶聚合物片層及其制備方法，并通過預拉伸基體材料，使打印的電熱層在屈曲行為的作用下呈S形，解決了電熱層易脫落的問題，但該方法存在制造工藝繁瑣，且需根據加熱基點的形狀調整拉伸方案的問題，不利于結構的快速便捷制造。

發明內容

針對現有技術中存在的問題與不足，本發明提出一種4D打印電響應形狀記憶折疊展開材料、制造方法，以解決金屬電熱層與形狀記憶聚合物基體之間結合性能差的問題，實現電熱層在基體中的嵌入式分布，并提高結構在高彎曲程度下的電致生熱性能的穩定性；同時提出該4D打印電響應折疊展開復合材料形狀記憶行為的調控方法，以調控形狀回復程度與形狀回復速度，通過調節通電電熱層數目、同層電熱層中不同區域的厚度以及通電電壓大小等參數，可實現結構在通電條件下形狀回復的精確停止與再回復以及形狀回復過程中速度的調節。

為了達到上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種4D打印電響應折疊展開復合材料，其特征在于：包括多層具有形狀記憶效應的基體層及具有電致生熱能力的電熱層，所述基體層與電熱層間隔層疊設置、且位于最外層的兩層均為基體層，電熱層鑲嵌在基體層一面的凹槽內、且與外部導線相連，相鄰兩層基體層之間通過均勻分布于凹槽內的凸臺連接，所述凸臺與基體層同一材質、且連接為一體。

進一步地，位于同一層的電熱層可以在多個區域呈圖案化均勻分布，也可以呈不同層厚分布，且需要保證同層中各區域導電層的連通性。不同層的導電層在多個平面內層疊分布，且各導電層間彼此分離。

進一步地，電熱層中金屬納米線之間通過激光熔焊粘連在一起，且電熱層與基體層之間也通過激光輻照來提高結合性能。