[发明专利]一种磁-热敏多材料智能结构的制备方法

说明书

本发明公开了一种磁‑热敏多材料智能结构的制备方法，具体涉及到熔融沉积(FDM)和直写式(DIW)一体化的3D打印技术，以及形状记忆聚合物(SMP)和磁敏软材料(MRE)的磁‑热协同调控。首先通过一体化3D打印平台的FDM模块和SMP材料制备出热敏层；然后在热敏层上利用一体化3D打印平台的DIW模块和MRE材料编程式制备磁敏层，最终得到一个磁‑热敏多材料双层智能结构。该磁‑热敏多材料智能结构在磁‑热的协同激励下，其具有快速、可逆多模态大变形及形状自锁等特性，可实现多材料智能结构的4D打印，为软体机器人、仿生科学等实际应用提供了可能。

技术领域

本发明涉及复合智能材料以及3D打印技术领域，具体涉及一种磁-热敏多材料智能结构的制备方法。

背景技术

随着社会的发展和科技的进步，对于材料的结构化制备和功能化应用的要求越来越高，需要不断探索具有特殊性能的新材料。智能软材料能对热、光、电或磁的刺激做出响应，这将在软体机器人、可穿戴柔性电子、超材料和生物医学设备等领域具有极其重要的意义。

磁敏颗粒夹杂复合材料属于智能软材料领域中的一个重要组成部分，它是将高磁导率的磁性颗粒与高分子聚合物基体通过一定的方式复合而成，可实现快速、可逆、远程非接触式的磁场控制。在基体内部定向排布磁敏颗粒可以提升该类智能材料的力磁性能或实现一些奇特的力学现象，并且磁敏颗粒的分布对材料力学性能以及变形的影响机制仍然是研究的重点。此外，尽管将磁敏软材料通过3D打印技术引入力学超材料、软体机器人后，体现出了其他智能软材料无法媲美的快速响应、非接触式远程控制等优越特性，但磁敏结构需要一直处于外磁场环境中才能保持变形后的形状，相对于形状记忆聚合物等具有天然形状自锁特性，磁敏软材料在需要保形的电磁结构及器件中体现出了明显的弊端。

形状记忆聚合物（shape memory polymers, SMP）作为一种传统的形状记忆材料，其具备很多优异性能，诸如编程应变大、质量轻、造价低，以及生物相容性好。因此，形状记忆聚合物被广泛的应用于制造驱动器、微纳器件、生物医疗器件、可展开结构、折纸结构等。与磁敏软材料一样，形状记忆聚合物和3D打印技术相结合，极大了促进了其结构化制备与功能化应用的进程，能够制备出具有复杂结构、自变形能力的形状记忆器件。Zarek等人利用3D光固化技术（Digital light processing, DLP）打印了三维形状记忆结构，在固化后，光固化树脂具有形状记忆效应，在热驱动下能够实现复杂形状变化；Yu等人利用epoxy基光固化树脂打印了埃菲尔铁塔。相比单纯的形状记忆效应，3D打印技术制备得到的复杂结构，能通过形状记忆对结构内部的应力实现精确调控，进而实现复杂的变形模式。尽管形状记忆聚合物与3D打印技术结合后在驱动器、生物医疗器件、可展开结构、折纸结构中体现出了优越的形状记忆、形状锁定等特性，但是形状记忆聚合物的响应速度相对于磁敏、电敏等其他刺激响应材料来说比较缓慢，这极大的限制了其功能化应用领域。

从上述关于磁敏、热敏智能软材料研究来看，这种单一智能软材料与3D打印技术结合，都极大的促进了其结构化制备，使其独特的刺激响应特性得到了更大的发挥，但其不具备多环境场刺激响应的特性，于是将多种智能软材料有机结合、通过多物理场协同驱动成为必然趋势，这种结合不仅可以取长补短、优化性能，还可以使其更具有实用性，拓展其功能化应用领域。磁形状记忆聚合物可编程结构化制备与功能化应用是近年来逐渐发展起来的一个崭新的课题，并且关于这一课题的研究基本上还处于初期的探索阶段，此外，目前所研究的磁-热敏多材料结构都是将磁性颗粒直接嵌入热激励形状记忆聚合物中，再通过直写式或熔融沉积的3D打印技术编程打印。这种制备方法较为复杂，而且在形状记忆聚合物中夹杂磁性颗粒会直接影响到其优异的力学特性和热敏特性。因此，如何在不牺牲多材料系统中单一刺激响应材料性能的前提下提升整体材料特性，将多刺激响应材料系统中的每一种刺激响应性能发挥到极致，这仍极具挑战性。

发明内容

本发明提供了一种磁-热敏多材料智能结构的制备方法，该结构具有磁-热多物理场刺激响应的特点，且具有远程非接触式驱动、快速可逆大变形以及形状自锁的特性。