基于纳米四氧化三铁形状记忆聚合物复合材料的4D打印折纸蜂窝超材料力学性能研究

《Polymer Engineering & Science》：Mechanical Properties of 4D Printed Origami Honeycomb Metamaterials Based on Nano-Fe3O4 Shape Memory Polymer Composites

本研究针对传统蜂窝结构在能量吸收应用中存在的变形后不可逆和缺乏可重复使用性等局限，开发了一种基于Miura-ori折纸构型的蜂窝超材料。通过4D打印制备的Fe3O4纳米颗粒增强形状记忆聚合物复合材料展现出优异力学性能，其形状固定率（Shape Fixity）＞99%、恢复率＞96%。研究系统评估了结构的能量吸收特性，发现6 wt% Fe3O4浓度可优化能量吸收（EA）与比能量吸收（SEA），且几何参数调整能显著提升性能。在50%应变循环压缩下，结构仍保持1.48 kN承载能力，证实可重复吸能特性。

　　

针对传统蜂窝结构在能量吸收应用中存在的变形不可逆与不可重复使用等缺陷，研究人员通过4D打印技术制备了一种新型Miura-ori（三浦折叠）构型折纸蜂窝超材料，其基体为嵌入四氧化三铁（Fe₃O₄）纳米颗粒的形状记忆聚合物（Shape Memory Polymer, SMP）复合材料。对基体材料的表征表明，Fe₃O₄纳米颗粒的引入显著提升了材料的拉伸强度与弹性模量，并实现了优异的形状固定性（＞99%）和形状恢复率（＞96%）。研究系统评估了该结构的能量吸收性能，包括与传统蜂窝的对比、纳米颗粒含量变化、几何构型调整以及循环压缩加载实验。结果表明，折纸蜂窝在平台阶段展现出比传统结构更平滑的力-位移响应和更稳定的变形行为。当Fe₃O₄浓度为6 wt%时，能量吸收（Energy Absorption, EA）与变形行为达到最优。增大胞元间距、折叠角度和层数均可显著提升能量吸收与比能量吸收（Specific Energy Absorption, SEA）。在50%应变下的第四次循环压缩中，结构仍保持初始能量吸收的21.22%，吸收能量为8.05 J，SEA达0.39 J/g。压缩结束时结构承载力为1.48 kN，展现出可重复的能量吸收能力。