玻璃纤维增强热塑性聚酰亚胺复合材料的4D打印及其高温形状记忆性能研究

《Scientific Reports》：Breaking the \(\:{\varvec{T}}_{\varvec{g}}\) barrier in 4D printing: ultra-high temperature GF/TPI shape memory composite

　　

摘要

将4D打印技术与高性能热塑性聚酰亚胺（TPI）相结合，为开发适用于极端环境的自适应/可部署结构提供了巨大潜力。然而，由于TPI具有较高的熔体粘度和高熔点，通过熔融沉积成型（FFF）加工TPI仍面临挑战。本研究开发了玻璃纤维（GF）增强TPI（GF/TPI）复合材料，用于超高温4D打印应用。首先，通过熔融共混制备GF/TPI复合材料，随后进行丝材制备和3D打印。打印试样经过后处理，并进行系统的微观结构和形状记忆性能表征，以评估其在高温4D打印中的适用性。微观结构分析证实了材料沉积均匀、纤维-基体界面结合良好且打印完整性优良，验证了所选加工参数的有效性。4D打印的GF/TPI复合材料展现出优异的形状记忆行为，第一循环中的形状固定率（\(\:{R}_{f}\)）为93.33%，形状恢复率（\(\:{R}_{r}\)）为98.70%，至第十循环时分别降至91.62%和90.19%。在连续十个循环中，\(\:{R}_{r}\)下降了8%，表明形状记忆效应（SME）具有良好的循环稳定性。对比研究表明，在反复循环条件下，所开发的GF/TPI复合材料的形状记忆性能优于现有高温聚合物体系。4D打印的GF/TPI软体机器人抓手展现出优秀的尺寸精度、表面质量和稳定的驱动性能，证实了其适用于太空可部署结构。