4D打印形状记忆聚合物及其复合材料的研究现状和应用进展

形状记忆聚合物材料是一种在外界环境刺激下可发生形状变化的智能材料,基于这种智能材料的可变形结构在生物医疗、航空航天等诸多领域显示出巨大的应用潜力.4D打印技术的问世为智能材料的进一步发展带来新的机遇,同时为微创医疗、智能机器人、柔性电子等高科技产业开创了全新的和智能化的发展方向.本文首先介绍4D打印技术的兴起和发展,以及5种新兴聚合物打印技术（光辅助打印、磁辅助打印、连续纤维打印、容积3D打印、多材料多喷头打印）的研发;其次从热、电、磁、光驱动4个方面综述了近几年4D打印形状记忆聚合物及其复合材料的研究进展及潜在应用,总结了适用于4D打印的形状记忆聚合物及其复合材料的制备方式及性能;然后介绍了基于形状记忆聚合物复合材料的4D打印结构在生物医疗、航空航天、智能器件及仿生领域的应用研究;最后指出4D打印在打印技术、打印材料、驱动方式和应用验证4个方面存在的问题及未来发展方向.     

生物活性聚合物及其复合材料在骨组织工程中的应用进展

骨是世界上第二大需要移植的组织,每年至少有400万次手术使用骨移植物和骨代替材料.传统的治疗方法的局限性影响了当前的治疗选择,并且由于创伤、癌症、感染和关节炎引起的骨缺损现象不断增加,在临床治疗中对骨移植物的需求也持续上升.自体移植物和异体移植物是临床治疗骨缺损的常用方法,而慢性炎症、疾病传播和免疫排斥反应的发生阻碍了...     

热驱动形状记忆聚合物三维力学本构模型

假设形状记忆聚合物（ＳＭＰ）为各向同性材料,其体积变形是弹性的,形状变化的流变规律满 足Ｔｏｂｕｓｈｉ建立的一维本构模型的基础上,应用固体力学和热粘弹性理论建立了ＳＭＰ三维本构 模型,使其不仅能描述简单应力状态下的热力学行为,也能描述复杂应力状态下的热力学行为．然 后基于ＡＢＡＱＵＳ的二次开发平台编写了可供ＡＢＡＱＵＳ调用的ＵＭＡＴ子程序,对ＳＭＰ试样实现 形状记忆效应的热力学过程数值模拟,数值模拟结果与Ｔｏｂｕｓｈｉ等的实验结果吻合良好,表明建立的 ＳＭＰ三维本构模型能够有效的描述ＳＭＰ的热力学行为,可为ＳＭＰ的工程应用提供理论参考． 关键词：形状记忆聚合物;热驱动;三维本构模型;形状记忆效应     

3D打印技术在食品中的应用

3D食品打印作为一种新兴的"增材制造"技术,具有方便、快捷、精度高等优点,满足了人们对个性化、功能性食品的要求,现已广泛应用于食品行业。本文综述了3D食品打印技术的原理、发展历史与现状,重点对食品原料的特性、打印食品的种类及影响打印的因素进行分析,并对3D食品打印技术的发展做出了展望。     

基于形状记忆聚合物的智能簧片结构的有限元分析

为了研究基于形状记忆聚合物(shape memory polymer,SMP)新型簧片的形状记忆行为以及金属材料对SMP簧片的增强效应,首先,基于三维SMP应力-应变-温度关系,编写了可供ABAQUS调用的用户材料子程序(user-defined material mechanical behavior,UMAT),开发出可用于三维复杂应力状态下SMP结构的有限元计算方法.然后,利用该方法对SMP簧片结构正向和反向弯曲变形的形状记忆行为(高温加载、降温固形、低温卸载和升温恢复)进行了仿真.最后,模拟和分析金属材料增强的SMP复合簧片结构的折叠过程.结果表明:SMP簧片在正向和反向折叠变形后,通过温度的控制能够自动展开,因此,能够有效解决传统簧片结构中的驱动复杂和过冲震动的问题;金属增强的SMP复合簧片的失稳弯矩和平稳弯矩被明显提高,金属增强效果从强到弱的顺序依次是:合金钢、铸钢、灰铸铁和硬铝合金.     

3D打印技术在航空兵场站的应用研究

针对3D打印技术在航空兵场站飞行保障中的应用空白,从3D打印技术的特点出发,研究了其在航空兵场站生活、装备、物资、卫生等保障领域的应用前景,找出了3D打印技术在航空兵场站应用需要解决的问题,为航空兵场站应用3D打印技术提供了思路与建议。     

形状记忆聚合物复合材料梁的弯曲变形

基于形状记忆聚合物（SMP）材料研制了热激励主动变形的纤维增强形状记忆聚合物复合材料（SMPC）,对其动态力学性能进行了测试分析,应用有限元模拟分析法和层合板理论,得到SMP和SMPC悬臂梁的弯曲变形与刚度变化曲线。分析表明：SMPC材料抵抗变形的能力高于SMP材料。在等温度条件下,SMP梁和SMPC梁的变形与载荷呈线性关系;在等载荷条件下,SMP梁和SMPC梁的变形与温度呈非线性关系。SMPC的刚度特性使其在高温下应用领域得到拓展。     

3D打印技术在高职教学中的应用与拓展

3D打印技术近年来发展迅速,应用领域越来越广泛。目前在国内的高校教育中,尤其是高职教学中,应用3D打印技术并为社会培养技术型人才很有必要。文章主要分析了3D打印技术应用于高职教育的重要性,笔者将3D打印技术引入高职院校中,学习总结了3D打印技术的操作难题及其解决办法,探索了3D打印技术在高职教育教学中的应用途径,对高职中相关课程的教学体系改革提出了工作展望。     

3D打印技术的应用与发展

3D打印技术是一种新型的制造加工技术,越来越受到机械加工领域工作者的重视.3D打印技术体系中比较流行的3D打印技术工艺包括FDM、LOM、SLA、SLS等,.3D打印技术除应用于设计模型、功能制造模型、实验分析模型外,还可广泛应用于航空、医疗、建筑、艺术行业.目前3D打印所面临缺乏技术创新、成本增加、价格昂贵等挑战与机遇.3D打印技术将对机械制造行业产生深刻变革,从根本上实现传统制造向智能绿色制造的转变.     

3D打印技术在古建筑保护中的运用

随着科学技术的高速发展,3D打印离人们的生活越来越近,在多处领域中已得到运用。与此同时,随着国家对传统文化的重视,人们更加关注古建筑的保护问题。通过利用最新的3D打印技术,实现了古建筑可拆卸结构模型的还原;结合还原的实践体会,对3D打印技术的发展现状和前景进行了分析,并阐述了3D打印技术对古建筑保护的巨大意义与前景发展。     

单簧片折叠过程中的力学性能及参数影响分析

为了研究基于形状记忆聚合物（shape memory polymer,SMP）新型簧片的形状记忆行为以及金属材料对SMP簧片的增强效应,首先,基于三维SMP应力-应变-温度关系,编写了可供ABAQUS调用的用户材料子程序（user-defined material mechanical behavior,UMAT）,开发出可用于三维复杂应力状态下SMP结构的有限元计算方法.然后,利用该方法对SMP簧片结构正向和反向弯曲变形的形状记忆行为（高温加载、降温固形、低温卸载和升温恢复）进行了仿真.最后,模拟和分析金属材料增强的SMP复合簧片结构的折叠过程.结果表明：SMP簧片在正向和反向折叠变形后,通过温度的控制能够自动展开,因此,能够有效解决传统簧片结构中的驱动复杂和过冲震动的问题;金属增强的SMP复合簧片的失稳弯矩和平稳弯矩被明显提高,金属增强效果从强到弱的顺序依次是：合金钢、铸钢、灰铸铁和硬铝合金.

     

Damping performance of Cu-Zn-Al shape memory alloys in engineering structures

The stress strain curves of two CuZnAI shape memory alloys which have the martensltic transformation temperatures of 50℃ and-10℃ respectively, were measured by using electronic material tester after treated by different heat-treatment conditions. The results show that the area enclosed by hysteresis loop of the CuZnAI shape memory alloy in martensltic state is much larger than that of the alloy in austenltic state with super-elasticity at room temperature. Therefore, the former has better vibration attenuation effect. After being oil-quenched, waterquenched, and step-quenched, the CuZnAI alloy takes on more stable shape memory effect, better super-plasticlty and superelasticity (pseudoelasticity). A CuZnAI shape memory alloy damper was designed, produced and installedto a 2-layer frame structure. In addition, the vibration experiments were made by dynamic data collecting analysis meter. The velocity of vibration attenuation of frame structure with CuZnAI shape memory alloy damper is much faster than that without it. And with the help of CuZnAI shape memory alloy damper, the attenuation period reduces to 1/10 of the original.     

Phase transformation behaviors and shape memory effects of TiNiFeAl shape memory alloys

Measurements of electrical resistivity, X-ray diffraction, and tensile test at room temperature and ?196°C were performed to investigate the effects of Al addition substituting Ni on the phase transformation behaviors, the mechanical properties, and the shape memory effects of Ti50Ni47Fe2Al1 and Ti50Ni46.5Fe2.5Al1 alloys. It is found that 1at% Al addition dramatically decreases the martensitic start transformation temperature and expands the transformation temperature range of R-phase for TiNiFeAl alloys. The results of tensile test indicate that 1at% Al improves the yield strength of Ti50Ni47Fe2Al1 and Ti50Ni46.5Fe2.5Al1 alloys by 40% and 64%, but de- creases the plasticity to 11% and 12% from 26% and 27% respectively. Moreover, excellent shape memory effect of 6.6% and 7.5% were found in Ti50Ni47Fe2Al1 and Ti50Ni46.5Fe2.5Al1 alloys, which results from the stress-induced martensite transformation from the R-phase.     

TiNi形状记忆合金的阻尼特性及应用

从工程中一种常见的机器隔振模型出发 ,运用导纳模态方法 ,得出了输入到基础梁的功率流表达式 .根据试验数据模拟了形状记忆合金的超弹性循环曲线并计算了TiNi形状记忆合金丝在一定振幅下循环加卸载时的超弹性等效阻尼 ,并将记忆合金丝作为一种等效阻尼材料应用到隔振模型中 .通过计算机仿真 ,得出在此模型中使用记忆合金丝作为阻尼材料及用与合金丝在几个频率时的等效阻尼相当的普通阻尼材料时输入到基础的功率谱图 ,分析了记忆合金作为阻尼材料时对模型隔振效果的影响 ,从而得出其作为阻尼材料的优越之处     

SMA被动隔震装置及其阻尼性能研究

形状记忆合金(SMA)在伪弹性阶段具有较好的阻尼性能，利用这一特点，本文提出了一种SMA被动隔震装置，通过对SMA元件的合理布置，使隔震体系获得可观的耗能能力和震后复位的功能，为了验证上述体系的有效性，本文根据SMA的热力学本构关系，建立了热力学非线性方程的求解方法，并且绾制了计算机分析程序进行了实例计算，结果表明，上述隔震体系具有较好的工作性能。     

聚乙二醇基形状记忆水性聚氨酯的合成与性能研究

用不同相对分子质量的聚乙二醇(PEG)为软段,以IPDI-BDO-DMPA为硬段,合成出一系列含有可结晶软段的水性聚氨酯材料,并通过红外、DSC以及形状记忆性能测试等手段对样品的软段结晶性和形状记忆功能进行表征.结果表明:软段相对分子质量、硬段含量都对软段的结晶性有很大的影响;只有PEG相对分子质量大于2 000时合成的聚氨酯的软段才具有结晶性,并且软段的熔融温度和熔融焓会随着PEG相对分子质量的增大而增大;若软段的相对分子质量一定,则样品的熔融温度和熔融焓会随着硬段含量的增加而呈现减小的趋势;当软段为PEG 4 000、硬段质量分数为30%时,该材料表现出良好的形状记忆性能.     

形状记忆合金在结构抗震控制中的应用

讨论了形状记忆合金的本构关系,综述了这种全新功能材料的行为特点,热力学性能主其在结构抗震控制和裂缝控制中的应用,并简要介绍了在控制应用中存在的问题以及改进方法。     

Microstructure and shape memory effect of Cu-26.1Zn-4.8Al alloy

The influence of processing parameters on the microstructure and shape memory effect of Cu-26.1Zn-4.8Al alloy was investigated. The treated specimens were characterized by metallography, X-ray diffraction （XRD） and transmission electron microscopy （TEM） to explain the mechanism of shape memory effect in Cu-26.1Zn-4.8Al alloy. The results reveal that the shape memory effect is markedly increased by appropriate quenching and ageing process. XRD shows that γ phase precipitates from martensite when aged at higher temperature and γ precipitates impair the shape memory effect. TEM analysis indicate that the substructure of plate-like martensite consists of twins and stacking faults.