LLNL開發出具有靈活和可拉伸特性的4D列印硅膠形狀記憶材料

勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的研究人員開發的3D列印複合硅膠材料具有靈活、可拉伸特性，以及形狀記憶行為。「4D列印」材料可用於製作頭盔、鞋子和其他產品的配件。

最新的4D列印結構研究是近來最實用的研究，LLNL研究組的4D列印材料可用作頭飾、包裝和其他設備中的保護性緩衝。

通過在硅膠油墨中添加空心氣體填充的「微氣球」，LLNL研究人員已經創建了可以通過溫度變化「編程」的材料。該材料可以在稍高的溫度下擠壓成不同的形狀，即使在冷卻後也能保持該形狀。

通過重新加熱材料，微氣囊中的氣體膨脹，將材料返回到其原始的預擠壓形狀。

研究報告的主要研究者Amanda Wu說：「令人印象深刻的是結構在再加熱後可以恢復其形狀。我們沒有看到扭曲的結構，我們看到一個完全恢復的結構。由於硅膠網路是完全交聯的，它將部件保持在一起，因此結構以可預測的、可重複的方式恢復其原始形狀。

有趣的是，研究人員幾乎是在偶然的情況下發現了4D列印材料。他們實際上正在努力設計一種相反方式的材料：一種在加熱後擠壓和變形後完全恢復的材料。

LLNL科學家Ward Small說：「最初，這是加速老化測試，看看材料是否有用。這種材料採用了一個非常大的壓縮集，這使我們懷疑它是永久性的。我們對此並不感到興奮，但是我們曾經嘗試過形狀記憶，試圖看看它是否可以在加熱時恢復其形狀。我們測試了它，而它也做到了。」

該材料由於其3D列印聚合物微氣球而保持其形狀。微球囊中的薄聚合物殼體具有玻璃化轉變溫度，意味著其在該溫度之上是剛性的，在其下是柔軟且有韌性。

因此，需要在玻璃化轉變溫度以上進行所有重塑。然後冷卻下來，材料會保持這種形狀。只有當材料再次被加熱時才開始恢復其原始形狀，並且這是因為微氣囊正在膨脹。

挑戰的一部分是發現一種可列印微氣球的可3D列印墨水，而不會卡在印表機的噴嘴中，印表機的噴嘴是直接寫墨的3D印表機。油墨材料在室溫下被擠壓成具有受控孔隙率和結構的「木樁狀結構」。

LLNL研究員Taylor Bryson說：「我們會把這些材料弄熱，讓它們在有壓力的情況下冷卻，測試其厚度來測量壓縮永久變形。然後看看它們是否重新擴張，我們會重新加熱，把它們放在同一溫度下的爐子里，沒有壓縮力就會更熱，看看他們是否恢復了形狀。令人驚訝的是，它們接近百分之百的恢復。」

3D列印材料的優點包括保持結構輕便，並對其形狀進行更大的控制。

令人興奮的是，研究人員說，其4D列印材料的形狀記憶功能可以集成到任何聚合物基材中，包括像彈性體這樣的可拉伸材料。

實驗室研究人員還提交了該材料的專利申請，可用於製作可定製的熱活化緩衝。通過調整轉換溫度，研究人員甚至可以製造可以用溫水加熱的材料，以調整為適合身體形狀，然後作為保護性頭飾，襯墊等可穿戴設備，也可用於包裝和運輸應用。

材料科學家Eric Duoss表示：「您可以將其用於任何定製的機械吸收材料。」該項目的共同主要研究員Eric Duoss說：「如果佩戴者長大一點，想要改裝材料，他們只需加熱它來擴大它，把它放在一起，讓它變涼，實現再次定製。」

據悉，關於該研究的詳細報告已經發表在科學報告雜誌上，有興趣的親可以點擊這裡閱讀。

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