【IM交叉学科材料】新加坡国立大学何超斌教授&东南大学陈云飞、吕之阳教授团队：墨水直写PDMS复合材料及其4D打印应用

原创交叉学科材料 Interdisciplinary Materials

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摘要

聚二甲基硅氧烷（PDMS）是一种非常重要的硅树脂材料，已广泛应用于柔性电子器件、软体机器人和生物电子器件等领域。PDMS及其复合材料通常采用传统铸造方法成型，极大地限制了器件的设计自由度。3D打印是一种前沿制造技术，具有任意成型、快速成形等优点，正引领新的制造业革命。然而，目前3D打印PDMS及其复合材料的相关研究工作主要侧重一种材料体系。发展基于PDMS多材料的打印体系，并以此构筑可编程的三维微结构，将进一步提升器件的智能化设计，也将为4D打印技术提供重要的物质基础和技术工具。4D打印技术是建立在3D打印基础之上，对构筑的三维物体增加第四个“时间”维度，在预定的外界激励下（如水、热、光、压力、磁场等），物体随着时间会发生形状、物理属性或功能等特征改变。

鉴于此，新加坡国立大学何超斌教授团队与东南大学机械工程学院陈云飞、吕之阳教授团队，在Interdisciplinary Materials上发表了关于多种PDMS复合材料的3D打印构筑与磁驱动4D打印应用研究。作者采用墨水直写打印技术发展了多种PDMS复合材料打印体系，包括碳（活性炭）、金属（Fe和Cu）和陶瓷（Al₂O₃和高岭石）等功能性填料，并可控地调变复合材料的机械、热机械和磁性质；设计并构筑了可编程的微结构，包括电池壳、拼布和任意陶瓷结构，并开发了磁驱动4D打印新功能；首次报道了磁驱动4D打印电池，可以通过外部磁场控制电池工作。该研究为PDMS 复合材料提供了的一种非常简单的制造成型工艺，并且拓宽了4D打印新应用，例如植入电池、水下软体机器人和定制化生物医学器件等。

图文简介

图1. 3D 打印可编程PDMS复合材料的设计与制造。（A）制造过程示意图；（B）打印微结构及相应的 SEM 照片；（C）打印不同层数的PDMS-Fe微结构；（D）打印拼布结构；（E,F）具有不同碳重量百分比的 PDMS-C墨水的流变性质；（E）表观粘度与剪切速率的关系；（F）储能模量与剪切应力的关系；（G）剪切屈服应力与碳重量百分比的关系；（H-K）PDMS与C/Fe 以及PDMS与高岭石复合材料的墨水流变性质。

图2. 墨水直写PDMS复合材料技术中关键参数对打印分辨率的影响。(A) 挤出过程示意图；(B) 打印压力的影响；(C) 打印针头直径的影响；(D) 打印速度的影响；(E) 墨水直写PDMS的打印分辨率和打印速度关系。

图3. 3D 打印PDMS复合材料的热机械、机械和磁性能。(A,B) 动态热机械分析；(C,D) 拉伸测试；(E,F)磁性质分析。

图4. 3D打印PDMS 复合材料的磁驱动4D打印新应用探索。(A-C) 磁驱动4D打印锌离子电池的设计与制造；(A)电池壳打印示意图；(B)外部磁场控制的电池开路电压曲线；(C) 充电/放电电压曲线。(A-C) 设计打印拼布的水下翻转行为；(D)不同设计结构的翻转行为及示意图；(E) 水下翻转能力的照片。

作者简介

Authors

何超斌

新加坡国立大学材料科学与工程系教授，新加坡材料工程研究所首席科学家。主要研究方向为高分子材料和高分子纳米复合材料的物理化学及其应用。一方面聚焦于聚合物纳米复合材料/有机-无机杂化材料的新型功能特性，如光学特性、电导率、阻挡层和抗划痕特性及其新应用；另一方面研究嵌段共聚物的自组装及其许多潜在应用，例如功能涂料、化妆品的流变改性剂、控释载体和光子晶体。

陈云飞

东南大学首席教授、博导，国家级特聘专家，国家杰出青年科学基金获得者，教育部长江学者奖励计划特聘教授，入选江苏省第三期“333高层次人才培养工程”第三层次和江苏省第四期“333高层次人才培养工程”第二层次。作为第一负责人主持完成国家自然科学基金6项，其中4项被评为优，江苏省自然科学基金3项、863MEMS重大专项1项、国家重大基础研究计划1项。目前主持国家自然科学基金重大科研仪器研制项目1项、国家自然科学基金重点项目1项、国家重大基础研究计划课题1项。在Nature Nanotechnology、JACS、Nano Letters等国际学术刊物发表SCI收录学术论文100多篇。2015年获教育部自然科学一等奖1项，2018年获国家自然科学二等奖1项。主要研究方向包括微纳制造、微尺度传热、摩擦学、增材制造、机械动力学等。

吕之阳

东南大学青年首席教授，国家高层次青年人才项目入选者。2014年博士毕业于南京大学，导师胡征教授和王喜章教授。2015-2020年在新加坡国立大学从事博士后研究工作，合作导师Wei Chen、John Wang、Chaobin He教授。目前研究方向为多学科交叉的“增材制造新能源器件”，共发表SCI期刊论文60余篇，主要包括Chem. Soc. Rev.，Joule，Adv. Mater.，Adv. Funct. Mater.，Nano Energy，Energy Storage Mater.，J. Membr. Sci.等，被引3500余次。主持国家自然科学基金青年基金、江苏省自然科学基金青年基金、江苏省双创博士、南京市留学人员科技创新项目择优资助等多项科研项目。

论文信息

Z. Lyu, J. J. Koh, G. J. H. Lim, D. Zhang, T. Xiong, L. Zhang, S. Liu, J. Duan, J. Ding, J. Wang, J. Wang, Y. Chen, C. He. Direct ink writing of programmable functional silicone-based composites for 4D printing applications. Interdiscip Mater. 2022. doi:10.1002/idm2.12027

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期刊简介

Interdisciplinary Materials（交叉学科材料）是由Wiley出版集团与武汉理工大学联合创办的开放获取式高水平学术期刊。主编为张清杰院士和傅正义院士。30位国际杰出学者和42位两院院士作为期刊的编辑委员会委员。Interdisciplinary Materials 是国际上聚焦材料与其它学科交叉前沿发起出版的首本“交叉学科材料”领域高水平期刊，旨在发表材料学科与物理、化学、数学、力学、生物、能源、环境、信息等学科交叉研究的最新成果。于2022年1月首发，前三年完全免费发表。2022年6月被DOAJ数据库收录。