DOI: 10.1016/j.addma.2021.102146

形状记忆聚合物复合材料与3D打印技术的结合为产品的定制化生产和智能化提供了新的机遇。在此，研究者通过将作为功能颗粒和增强组分的Fe3O4和纤维素纳米纤维（CNFs）添加到聚羟基丁酸酯/聚（ε-己内酯）混合物中，开发了强度和韧性均衡的磁场响应形状记忆聚合物复合材料。研究了Fe3O4和CNFs对材料微观形貌、流变学、熔融结晶、热机械性能、静态力学性能和磁场响应形状记忆性能的影响。结果表明，含10wt％Fe3O4和0.5wt％CNFs的PHB/PCL（80:20）复合材料具有最佳的综合力学性能和磁场响应形状记忆性能。此外，3D打印试验表明，CNFs的添加和打印参数对于最后产物的力学和磁场响应形状记忆特性至关重要。最后，具有良好承载性能的支架和磁响应自恢复雪花的制备证明了本研究的应用可行性。

图1.3D打印磁响应复合纤维和产品的制备过程。

图2.具有不同Fe3O4和CNFs含量的复合材料的SEM图像。（a）纯PHB/PCL混合物（PCL的比例为20wt％）。（c）（e）（g）（i）分别为含5wt％、10wt％、15wt％和20wt％Fe3O4的复合材料。（d）（f）（h）（j）含10wt％Fe3O4的复合材料，CNFs含量分别为0.25wt％、0.5wt％、0.75wt％和1wt％。（b）图2c中红框区域的放大图。

图3.具有不同Fe3O4含量的复合材料的角频率ω与（a）储能模量G'、（c）损耗模量G”和（e）复数粘度η*的关系，以及具有不同CNF含量的复合材料的角频率ω与（b）储能模量G'、（d）损耗模量G”和（f）复数粘度η*的关系。

图4.具有不同Fe3O4和CNFs含量的复合材料的E'（a，c）和tanδ（b，d）。

图5.具有不同Fe3O4和CNFs浓度的复合材料的二次加热DSC曲线。

图6.具有不同Fe3O4和CNFs含量的复合材料的（a）（b）拉伸强度，（c）（d）断裂伸长率，（e）（f）弹性模量，（g）JF10％和JF10％C0.5％样品的应力-应变曲线。

图7.（a）（b）JF10％和JF10％C0.5％试样在形状恢复期间的磁场触发形状恢复行为（瞬时形状和热分布）。（c）复合材料的磁场响应形状记忆效应机制图。

图8.（a）切片软件中拉伸标准试样的俯视图（左）和打印拉伸标准试样的俯视图（右）。（b）不同温度（190℃、200℃、210℃）下JF10％和JF10％C0.5％样品的复数粘度η*与角频率ω的关系。（c）（d）不同印刷层厚度（H1=0.1mm，H2=0.2mm，H3=0.3mm）和温度（T1=190℃，T2=200℃，T3=210℃）下标准试样的抗张强度。（e）（f）三种不同结构支架的横截面照片和压缩曲线。

图9.（a）填充角为0°和45°的JF10％C0.5％试样的打印路径、物理图像和磁感应形状恢复过程。（b）（c）在磁场中，不同印刷层厚度（H1=0.1mm，H2=0.2mm，H3=0.3mm）和温度（T1=190℃，T2=200℃，T3=210℃）下JF10％（W）和JF10％C0.5％（Y）试样的形状恢复时间。

图10.（a）切片软件中雪花模型的打印路径。（b）打印的雪花模型的顶视图。（c）具有临时形状的雪花模型在磁场中的磁响应形状恢复过程。