供稿人：齐晨云、连芩 供稿单位：西安交通大学精密制造技术全国重点实验室 发布日期：2024-09-01
多孔有机硅泡沫的各种性能主要取决于孔的形状、尺寸和分布，可以将低密度与优秀的机械、热、生物医学、电气等性能结合在一起。然而，传统的制备工艺难以兼顾复杂结构和优异性能，迫切需要一种新的多孔泡沫制造方法，旨在获得具有优异性能和定制几何结构的多孔泡沫。4D打印是指利用时间驱动预成型材料的变化，可以通过编程预应变、热、磁及4D打印过程中触发驱动等刺激实现材料的变形控制，通过4D打印路线开发具有受控元机械性能的弯曲多孔有机硅结构以实现最佳性能具有重要意义。
中国工程物理研究院化学材料研究所Zhang[1]等利用4D打印技术，如图1所示，通过将热膨胀微球嵌入到硅橡胶墨水中，利用热刺激触发微球的膨胀和硅橡胶的发泡，打印出具有复杂曲面结构的硅橡胶材料，实现了由应变不匹配导致的变形，以及由于压缩下堆叠细丝的突然屈曲而产生的负刚度效应，从而证明了能量吸收特性和潜力。
图1 DIW 3D 打印示意图
（a）双层长丝打印结构的形状变形，（b）压缩下堆叠双层长丝的典型结构的负刚度效应
该团队利用4D打印技术制造具有负刚度效应的多孔硅橡胶材料，以增强其能量吸收和冲击保护性能。首先制备了含有热膨胀微球的复合硅橡胶墨水，并通过热刺激使微球膨胀，从而实现硅橡胶基质的同时发泡，如图2（a）所示，接下来，利用3D打印技术将墨水打印成所需形状的结构。打印后，通过预固化和进一步固化和发泡的过程，获得了打印的硅橡胶材料，如图2（b）所示。 最后，通过实验测试和性能表征，评估了材料不同结构的能量吸收图3（a）和冲击保护性能图3（b）。
图2 （a）发泡过程 （b）由双层细丝组成的打印结构的变形
图3 （a）具有堆叠双层细丝结构的4D打印多孔有机硅的变形和能量吸收特性；（b）4D 打印多孔有机硅的冲击防护性能测试实验
该研究解决了以下问题： 1. 利用4D打印技术制造了具有负刚度效应的多孔硅橡胶材料，通过调控打印结构的热膨胀比例，实现了材料的形变和负刚度效应，从而提高了能量吸收和冲击保护性能。 2. 通过控制墨水的成分和打印参数，实现了硅橡胶材料的定制化形状，适应了不同应用场景中的形状适应性需求。 3. 通过实验测试和表征方法，对材料的能量吸收和冲击保护性能进行了评估，验证了所制备材料的优越性能。
该研究成功解决了制造具有负刚度效应的多孔硅橡胶材料的技术难题，并为增强能量吸收和冲击保护性能提供了一种新的解决方案。未来可以进一步研究4D打印多孔有机硅在更广泛应用场景下的性能优化，如在可穿戴设备中的形状适应性和能量吸收能力的提升。此外，通过改进打印材料和工艺，有望实现更复杂结构和更高性能。