关于具有能量吸收功能的4D打印负泊松比蜂窝结构形状记忆性能的研究

《Macromolecular Materials and Engineering》：Study on the Shape Memory Performance of 4D-Printed Auxetic Cellular Structures with Energy Absorption Application

本研究首次全面探讨了4D打印auxetic细胞结构的机械性能与形状记忆特性，通过PETG材料在FDM 3D打印中制造立方reentrant结构，结合动态应变（50%-70%）和负载保持时间策略，显著提升形状固定比（最高达85%）和恢复率（超过95%），为可重复使用的防护装备和能量吸收器提供了创新解决方案。

　　近年来，随着先进制造技术的发展，4D打印作为一种结合了时间和材料响应特性的新型制造方式，正逐步引起科学界和工业界的广泛关注。4D打印不仅继承了3D打印在结构设计和制造方面的优势，还引入了材料在外部刺激下发生形态变化的能力，从而为开发具有自适应、自修复和可变形特性的智能材料提供了新的思路。本文聚焦于一种将负泊松比结构（auxetic structures）与形状记忆聚合物（shape memory polymers, SMPs）相结合的4D打印技术，探讨其在机械性能和形状记忆特性方面的表现，以及其在实际应用中的潜力。

### 4D打印与形状记忆聚合物的结合

形状记忆聚合物是一类具有特殊功能的智能材料，能够在受到特定外部刺激（如温度、光照或化学物质）后恢复到其初始形状。这种特性被称为形状记忆效应（shape memory effect, SME），是4D打印技术的核心特征之一。而负泊松比结构则是一种具有非传统机械特性的材料结构，其在受到压缩时会表现出横向扩张的趋势，这种特性使其在能量吸收、结构稳定性以及抗冲击性能方面具有显著优势。

将这两种技术结合，意味着可以在一个单一材料中实现结构设计的优化和形状记忆的调控。这种结合不仅提升了材料的性能，还拓展了其应用范围，尤其是在需要高能量吸收能力、可重复使用性和形态可调性的领域。例如，个人防护装备、可变形结构、自适应设备等都可能从中受益。本文通过4D打印技术，使用PETG（聚对苯二甲酸丙二醇酯-1,4-丁二醇酯）材料制造了具有负泊松比特性的立方体结构，并对这些结构在多次加载循环中的机械性能和形状记忆特性进行了系统研究。

### PETG材料的优势

PETG作为一种常见的热塑性材料，因其良好的可打印性、高强度、高延展性以及优良的形状记忆特性，被广泛用于3D打印领域。特别是在4D打印中，PETG表现出卓越的性能，能够通过冷编程（cold programming）实现形状记忆效应。冷编程是指在室温下对材料进行变形并固定其临时形状，而不需经历加热和冷却过程。这种方式不仅简化了制造流程，还降低了能耗和复杂度，使4D打印在实际应用中更具可行性。

在本研究中，PETG的形状记忆效应被验证为可以通过冷编程实现。通过对不同加载循环下的变形和恢复过程进行测试，研究人员发现PETG在冷编程条件下表现出良好的形状固定率和形状恢复率。这表明PETG不仅具备优异的机械性能，还能在多次变形后仍保持较高的功能性，从而满足可重复使用结构的需求。此外，PETG的打印参数优化使其在冷编程中具有更高的灵活性，能够适应不同的变形需求，包括较高的应变水平和较长的载荷保持时间。

### 4D打印结构的设计与测试

为了研究PETG在4D打印中的表现，研究人员设计了具有负泊松比特性的立方体结构，其中包含了重复的回形结构单元（reentrant unit cells）。这种结构在压缩时表现出优异的能量吸收能力，同时其形状记忆特性使得结构能够在受到外部刺激后恢复到原始形态。通过调整加载应变和载荷保持时间，研究人员探索了两种提升形状固定率的策略。

第一种策略是提高应变水平至70%。研究表明，当应变增加时，形状固定率也随之提高。这是因为较高的应变水平能够更有效地促使材料进入塑性变形区域，从而增强形状记忆效果。第二种策略是引入载荷保持时间。在应变达到一定水平后，通过延长载荷作用时间，可以进一步提升形状固定率。这种方法不仅有助于材料在变形后更稳定地保持其临时形态，还能在不显著影响形状恢复率的前提下，提高整体的形状记忆性能。

在实验过程中，研究人员对三种不同类型的形状记忆测试进行了重复三次加载循环，并对每种测试中的应变和恢复情况进行记录。实验结果表明，通过这两种策略，形状固定率从初始的64%–75%提升至75%–80%，甚至达到85%。同时，形状恢复率也保持在95%以上，表明这些结构在多次使用后仍能保持高度的可逆性和稳定性。

### 机械性能的评估

除了形状记忆特性，研究人员还对4D打印结构的机械性能进行了详细分析。通过对压缩强度、能量吸收能力等关键参数的测试，发现这些结构在多次加载循环后仍能保持较高的性能水平。具体而言，压缩强度仅略有下降，而能量吸收能力则相对稳定。这种性能的保持性表明，4D打印的结构不仅具有良好的形状记忆特性，还具备优异的机械性能，使其在高冲击环境下的应用成为可能。

在测试过程中，研究人员使用了多种方法来评估机械性能，包括压缩测试和应力-应变曲线分析。这些测试揭示了材料在不同应变水平下的响应特性，同时也为理解其内部结构变化提供了依据。例如，在较低应变下，材料的变形主要集中在弹性区域，而在较高应变下，材料会进入塑性变形区域，从而实现更稳定的形状固定。这种特性对于开发具有可重复使用性的能量吸收材料具有重要意义。

### 应用前景与未来方向

研究结果表明，4D打印的负泊松比结构在机械性能和形状记忆特性方面都表现出良好的稳定性。这种结构不仅能够在多次加载后恢复其原始形态，还能保持较高的能量吸收能力，使其成为一种理想的可重复使用材料。尤其是在体育防护装备领域，如头盔和护具，这种材料的应用可以显著提高产品的安全性和耐用性。

传统的头盔通常使用泡沫材料作为能量吸收层，但这些材料在受到严重变形后难以恢复，可能导致其性能下降甚至失效。而本文提出的4D打印结构则能够实现几乎完全的恢复，这意味着头盔可以在受到撞击后自动恢复其形状，从而保证其在后续使用中的有效性。此外，由于PETG材料的高打印性和低密度，这种结构还能在不牺牲性能的前提下显著减轻头盔重量，提高佩戴舒适度，并降低制造成本。

除了体育防护装备，这种材料的潜力还体现在其他领域，如航空航天、医疗设备和柔性电子器件。例如，在航空航天领域，轻质且高能量吸收的材料可以用于制造更安全的结构部件；在医疗领域，可变形的支架材料可以用于组织工程，提供更好的生物相容性和适应性；而在柔性电子器件中，形状记忆材料可以用于制造可变形的传感器和执行器，提升设备的智能性和响应能力。

### 结论

本文通过系统的实验和分析，验证了4D打印负泊松比结构在机械性能和形状记忆特性方面的潜力。研究结果表明，PETG材料在冷编程条件下能够实现较高的形状固定率和形状恢复率，使其成为一种理想的4D打印材料。同时，通过调整应变水平和载荷保持时间，可以进一步优化形状记忆效果，从而提升结构的可重复使用性。

这种结合4D打印和形状记忆特性的材料为未来的智能材料开发提供了新的方向。它不仅能够满足高能量吸收、高稳定性、高可逆性的需求，还能在实际应用中实现结构的自我修复和重复使用，从而减少资源浪费和维护成本。随着相关技术的进一步发展，这类材料有望在多个工业领域发挥重要作用，为创新产品设计和高性能制造提供支持。