新型含聚苯并咪唑结构的4D打印材料：卓越抗辐射性与机械性能的突破

为解决航空航天领域对耐高温、高机械强度及抗辐射形状记忆聚合物(SMPs)的需求，研究人员开发了基于聚-2,2′-(对氧二亚苯基)-5,5′-二苯并咪唑(OPBI)的紫外光固化树脂，通过UV-热双重固化工艺实现4D打印。所得材料玻璃化转变温度(Tg)达155–185°C，拉伸强度115–144 MPa，形状固定率(Rf)和恢复率(Rr)均超94%，且耐受106 Gy γ辐射，为航天智能器件提供新选择。

　　

论文解读

在太空探索和航空航天领域，材料需承受极端环境：高温、强辐射和机械应力。传统3D打印的静态结构难以满足动态需求，而4D打印技术通过刺激响应材料实现了形状自适应。然而，现有高温形状记忆聚合物(SMPs)面临机械强度不足（<40 MPa）、抗辐射性能差等瓶颈，制约了其在航天器可展开结构中的应用。

为解决这一挑战，来自国内的研究团队在《Applied Materials Today》发表研究，设计了一种基于刚性耐热聚合物聚-2,2′-(对氧二亚苯基)-5,5′-二苯并咪唑(OPBI)的新型光固化树脂。通过引入光敏溶剂N,N-二甲基丙烯酰胺(DMAA)和交联剂（双酚A乙氧基二丙烯酸酯BAEDA或三[2-丙烯酰氧乙基]异氰脲酸酯TAI），结合UV-热双重固化工艺，成功4D打印出高性能SMPs。

关键技术方法
研究采用液晶显示(LCD)3D打印技术，以50–200 μm层厚成型复杂结构；通过差示扫描量热法(DSC)和动态机械分析(DMA)测定T_g与力学性能；γ辐射实验模拟太空环境（剂量达10⁶ Gy）；双交联网络设计通过BAEDA（双官能）和TAI（三官能）调控交联密度。

研究结果
1. 光固化树脂设计与LCD 3D打印
OPBI在DMAA中的溶解性解决了传统聚苯并咪唑(PBIs)加工难题。两种树脂（Resin-1含BAEDA，Resin-2含TAI）均能以高分辨率打印，交联剂类型不影响打印参数。

2. 热机械性能与形状记忆效应
双重固化后材料T_g达155–185°C，拉伸强度115–144 MPa，远超现有报道（17–70 MPa）。硬段（OPBI和交联剂）与软段（DMAA）的协同作用使形状固定率(R_f)和恢复率(R_r)均>94%。TAI基材料因更高交联密度表现出更优机械性能。

3. γ辐射耐受性
10⁶ Gy辐射后，材料仍保持高拉伸强度（124 MPa）、T_g（179°C）和形状记忆性能。辐射引发的交联反应抵消了链降解效应，证明其适用于长期太空任务。

结论与意义
该研究首次将OPBI引入4D打印领域，创制了兼具高T_g、优异机械强度和抗辐射性的SMPs。通过交联剂功能度调控网络结构，为材料性能定制提供新策略。其成果有望推动航天器可展开结构、自主变形器件的发展，并为极端环境下的智能材料设计树立新标杆。作者Kseniia N. Bardakova和Bato Ch. Kholkhoev等强调，未来可进一步探索其他高性能聚合物在4D打印中的应用边界。