吉林大学张志辉教授与华中科技大学臧剑锋教授研究团队：4D 打印聚醚醚酮的形状记忆特性及驱动性能 | MDPI Polymers
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文章导读
形状记忆聚合物 (Shape-Memory Polymers, SMPs) 逐渐在机械和生物医学领域崭露头角，但较低的玻璃化转变温度限制了其在恶劣环境下的应用。基于此，吉林大学张志辉教授与华中科技大学臧剑锋教授研究团队在 Polymers 上发表了论文，本文成功制备出 4D 打印聚醚醚酮 (Polyether-Ether-Ketone, PEEK) 复合材料，研究了高温 PEEK 在弯曲行为中的形状记忆特性和驱动性能。结果表明，4D 打印 PEEK 复合材料在高温下也具有形状记忆基本特性，为其在航空航天领域的应用奠定了基础。
研究方法与过程
如图 1a 所示，作者利用改进双挤出机 3D 打印设备制备 PEEK 样品。加热挤出机先连续打印出多层 PEEK 基底，随后挤出机在 PEEK 基底表面嵌入连续印制的导线，配置连续导电路径 (图 1b)。图 1c 显示，打印夹层结构复合材料由 PEEK 基组成。作者通过图 1d 和 1e 设备测定了制备好样品的形状固定比，以表征 PEEK 在弯曲行为中的宏观形状记忆特性和驱动性能。
图 1. 形状记忆 PEEK 的 4D 打印和测试方法。
图 2a 和 2b 显示了角度和速度随时间的变化关系，根据角度记录，作者可以计算出形状记忆循环的固定率和恢复率 (图 2c)。PEEK 在形状记忆循环中的驱动能力如图 2d–f 所示。
图 2. PEEK 的循环形状记忆特性和驱动性能。
图 3a 显示了 PEEK 样品的驱动电流与表面温度呈严格的线性关系；图 3b 表明电流对恢复角度有明显的影响；图 3c 表明电流越高将导致更大的恢复角和更好的形状恢复率；图 3d 表明最大角速度随电流增大而增大。电流增大时，试样因温度升高而变软，固定力变弱 (图 3e)。但在图 3f 中，不同电流作用下的恢复力表现出不同的规律。
图 3. 电流对形状记忆性能和驱动性能的影响。
为研究固定过程中冷却速度的影响，作者分别采用了自然冷却和强制风冷。图 4a 表明，两种条件下的固定率相同，恢复率不同。图 4b、c 表明，强制风冷的回收率高于自然冷却。强制风冷下，恢复速度提高。强制风冷使回收力提高了 14% (图 4d、e)。图 4f 表明，强制风冷对形状记忆和驱动性能的改善归因于应变能的冻结。
图 4. 冷却速度对形状记忆性能和驱动性能的影响。
作者在间隔时间超过 1 个月的情况下测试了 PEEK 的形状记忆性能和驱动性能、角度和速度的恢复 (图 5a、b)，固定比例下降 2.8%，恢复角减小，恢复率降低了 7.7%。如图 5c、d 所示，间隔时间短的样品角速度较快，恢复力下降 15%，致动能力减弱。单向方差分析表明，恢复率和驱动速度无显著性差异，强制空气冷却的固定力和驱动力更强。
图 5. 间隔时间对形状记忆性能和驱动性能的影响。
图 6a 表明，试样路径越多，曲率半径越大；图 6b 展示了 10 条丝径试样的照片和热图；相同条件下对三种样品进行成型，图 6c 记录了角回复；图 6d 表明，弧长越大的样品回复角越大。图 6e 中，曲率半径为 26 mm 样品的最大速度是 10 mm 的 1.3 倍；图 6f 表明，曲率半径与驱动力成反比。单向方差分析可知，驱动长度对回复率、固定力和驱动力影响显著。
图 6. 驱动长度对形状记忆特性和驱动性能的影响。
图 7a–d 研究了厚度对形状记忆性能的影响，样品厚度增加使其回复角和回复速度也增大。厚度为 1.6 mm 时，回复角和回复速度均小于 1.4 mm 的样品；图 7e、f 中，恢复力随厚度的增加而增加。试样厚度从 1.2 mm 增加到 1.6 mm 时，回复力增加 117%。增加厚度可有效提高 PEEK 的驱动性能。单向方差分析可知，随厚度的变化，所有形状记忆性能和驱动性能都有显著差异。
图 7. 厚度对形状记忆性能和驱动性能的影响。
为演示 PEEK 驱动能力，作者设计了具有临时形状的样品来提升和运输重物 (图 8a)。在图 8b 中，作者设计了跷跷板来运输 17 g 的金属球。
图 8. 通过形状记忆 PEEK 传输重量。
作者演示了两种可展开结构来丰富形状记忆 PEEK 的前景。一种是图 9a 展示的展开拖曳帆的模拟试验；另一种部署结构是图 9b 中带有柔性关节的捕集器，用于捕获和加载图 9c 中的物质。五次测试均保持了相同的性能。
图 9. 形状记忆 PEEK 的可展开结构。
研究总结
1. 本研究采用复合 4D 打印技术成功制备了 PEEK 复合材料。
2. 集成形状记忆的 PEEK 有望在航空航天等恶劣环境中发挥替代作用。
3. 作者在多次形状记忆变形中验证了 PEEK 稳定一致的形状记忆性能，表明 PEEK 具有良好的工作能力和变形精度。
4. 作者从应用条件和结构参数上研究了 PEEK 的形状记忆性能和驱动性能，为其未来在航空航天领域的应用奠定了基础。
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原文出自 Polymers 期刊
Zhou, Y.; Ren, L.; Zang, J.; Zhang, Z. The Shape Memory Properties and Actuation Performances of 4D Printing Poly (Ether-Ether-Ketone). Polymers 2022, 14, 3800.
Polymers 期刊介绍
主编：
Alexander Böker, University of Potsdam, Germany
期刊主题涉及聚合物化学、聚合物分析与表征、高分子物理与理论、聚合物加工、聚合物应用、生物大分子、生物基和生物可降解聚合物、循环和绿色聚合物科学、聚合物胶体、聚合物膜和聚合物复合材料等研究领域。
2021 Impact Factor | 4.967 |
2021 CiteScore | 5.7 |
Time to First Decision | 12.4 Days |
Time to Publication | 31 Days |
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