4D打印中所使用的材料，通常是經(jīng)分子層面優(yōu)化篩選后的單一材料，尚沒有一種普適的修飾方法能夠使原本無法4D打印的材料變得可行。尤其對(duì)于金屬4D打印而言，目前所采用的方法大多是通過激光燒結(jié)3D打印技術(shù)加工出兩層不同金屬的復(fù)合結(jié)構(gòu)或直接對(duì)形狀記憶合金的粉體進(jìn)行燒結(jié)打印。

因此，本章中我們提出了一種全新的金屬4D打印思路：在間接3D金屬打印過程中，向常規(guī)的硬體金屬顆粒懸浮液中加入少量液態(tài)金屬，能夠使金屬顆粒與液態(tài)金屬之間形成局部彈性聚集體；在打印過程中，由于剪切力的作用，這些彈性聚集體將產(chǎn)生各向異性的形變，從而促使其間分布的高分子網(wǎng)絡(luò)形成各向異性排列，最終導(dǎo)致打印結(jié)構(gòu)的各向異性收縮；進(jìn)一步借助合理的打印設(shè)計(jì)，便能夠?qū)崿F(xiàn)金屬生胚的4D打印過程。金屬4D打印思路，制備方法簡(jiǎn)單、成本低廉，且理論上能夠推廣至多種金屬體系中，因此具有極大的應(yīng)用前景。

3D打印多層級(jí)材料制備策略及成果

（1）3D打印多層級(jí)表面粗糙結(jié)構(gòu)材料：提出3D打印+選擇性溶劑刻蝕的增/減材結(jié)合制備策略，制備得到具有多層級(jí)表面粗糙結(jié)構(gòu)的超疏水PLA多孔膜和填料，實(shí)現(xiàn)了油水混合物和水包油型乳液的高效、高通量分離?；诮?jīng)典Cassie模型，提出多層級(jí)粗糙結(jié)構(gòu)對(duì)表面浸潤(rùn)性的增幅作用的分形理論，并建立相關(guān)數(shù)學(xué)模型。

（2）3D打印多層級(jí)多孔結(jié)構(gòu)材料：
①提出間接金屬3D打印+選擇性去合金+原位MOF生長(zhǎng)的增/減材結(jié)合制備策略，制備得到孔徑尺寸跨越6個(gè)數(shù)量級(jí)的多孔銅基催化劑，在催化Friedl?nder環(huán)化反應(yīng)中表現(xiàn)出出色的催化效率。
②提出3D打印+冷凍干燥的增/減材結(jié)合制備策略，制備得到具有三明治結(jié)構(gòu)的BPNS/PPy多孔自支撐電極，實(shí)現(xiàn)高電容密度和循環(huán)穩(wěn)定性儲(chǔ)能材料的直接打印制備。

（3）3D打印多層級(jí)組分材料：
①通過構(gòu)建可逆動(dòng)態(tài)化學(xué)鍵、氫鍵以及雙重凝膠網(wǎng)絡(luò)的多層級(jí)相互作用網(wǎng)絡(luò)，制備得到具有導(dǎo)電性、自愈性和溫度響應(yīng)性的可打印凝膠。進(jìn)一步通過DIW打印技術(shù)，制備出各向異性的傳感器圖案，實(shí)現(xiàn)三維空間中不同彎曲方向的識(shí)別。
②提出了一種通過逐級(jí)調(diào)控材料內(nèi)部相互作用而實(shí)現(xiàn)金屬生胚4D打印的新策略：利用金屬與液態(tài)金屬之間的界面潤(rùn)濕效應(yīng)和合金化反應(yīng)過程，得到由金屬/液態(tài)金屬彈性聚集體組成的可打印油墨；進(jìn)而通過DIW打印過程的剪切力誘導(dǎo)使彈性聚集體進(jìn)行定向排列，得到在溶劑蒸發(fā)過程中呈現(xiàn)各向異性收縮的打印材料；最終，通過合理設(shè)計(jì)打印路徑和圖案，獲得預(yù)先設(shè)計(jì)好的空間曲面形狀。該方案為低成本金屬4D打印提供了一種全新思路。

多層級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的3D打印技術(shù)方面開展了一系列工作，為3D打印功能材料的開發(fā)提供了一些有益思路，但仍有許多問題有待深入研究，作者建議在未來可進(jìn)一步從以下幾個(gè)方面開展具體工作。

（1）針對(duì)3D打印多層級(jí)超疏水材料的制備，可進(jìn)一步結(jié)合更精細(xì)的3D打印技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多層級(jí)表面結(jié)構(gòu)的全打印制備，驗(yàn)證并完善多層級(jí)表面幾何特征參數(shù)與表面浸潤(rùn)性的理論模型，構(gòu)建基于3D打印可控表面浸潤(rùn)性材料的液滴操縱、微流控分析等新應(yīng)用體系。

（2）針對(duì)3D打印超疏水填料，可進(jìn)一步進(jìn)行放大實(shí)驗(yàn)，探索其在更大規(guī)模油水分離過程中的應(yīng)用前景，并豐富填料內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)合CFD理論模擬優(yōu)化塔體流動(dòng)分布，獲得更佳的分離效率和分離通量。

（3）針對(duì)多層級(jí)多孔金屬銅的3D打印制備，可運(yùn)用類似雙金屬合金/去合金策略，拓展該思路的適用金屬范圍，并將相關(guān)影響因素定量化、模型化、工程化，獲得一套完整的廉價(jià)多孔金屬3D打印制備工藝路線，進(jìn)一步構(gòu)建相關(guān)材料在化學(xué)催化、電學(xué)儲(chǔ)能等領(lǐng)域的應(yīng)用體系。

（4）針對(duì)多層級(jí)電容電極的3D打印制備，可進(jìn)一步結(jié)合多材料3D打印技術(shù)，設(shè)計(jì)制備空間異形的電容器件，并對(duì)相關(guān)打印參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行定量?jī)?yōu)化，構(gòu)建高性能定制化電子元器件應(yīng)用體系。

（5）針對(duì)導(dǎo)電自愈合凝膠的3D打印過程，可進(jìn)一步結(jié)合多材料3D打印技術(shù)，設(shè)計(jì)制備各向異性的柔性傳感單元，對(duì)相關(guān)打印參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行定量?jī)?yōu)化，構(gòu)建相關(guān)應(yīng)用體系。

（6）針對(duì)仿生4D金屬打印，可進(jìn)一步深入研究鎵銦共晶以及鎵單質(zhì)與不同金屬混合的打印油墨體系在4D打印中的性能，將相關(guān)因素定量化、模型化，制備形狀可控的4D打印金屬/鎵合金生胚，并通過后續(xù)煅燒得到金屬/鎵合金，構(gòu)建一種廉價(jià)的4D金屬打印新策略，并探索其在催化、儲(chǔ)能、智能電子器件、工藝品等方面的應(yīng)用。

（7）未來將探索關(guān)于多層級(jí)表面結(jié)構(gòu)、多層級(jí)孔結(jié)構(gòu)以及多層級(jí)組分材料的全3D打印制備過程。

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