智能质料[1-2]被称为“21世纪的新质料”,率先由日本的Takagi提出[3],是指对情形具有感知、可响应,并具有执行、诊断能力的新质料。。。。。。。智能质料通常不是一种简单的质料,是一类由多质料组元团结,并通过智能制造的要领所组成的智能器件。。。。。。。智能质料凭证质料基质的差别可分为金属类智能质料、高分子类智能质料和陶瓷类智能质料。。。。。。。

增材制造手艺履历了30多年的生长,在质料、装备、工艺和应用等方面均取得了重大的生长。。。。。。。唬；；；；谑帜Ｗ忧脑霾闹圃焓忠,突破了古板制造工艺中模子设计、拓扑结构约束和加工要领的制约,彻底改变了加工制造设计理念和流程。。。。。。。陪同着智能质料和增材制造手艺的生长,2013年,4D打印的看法首次提出,该手艺将增材制造手艺成形要领、智能质料响应外界刺激和增材制造结构设计特异性的特点有机地融合。。。。。。。

4D打印作为一种可实现质料“编程”的新型增材制造手艺,是付与质料“智能”的有用手段[4],同时也是增材制造智能质料的详细体现。。。。。。。增材制造手艺在成形智能质料的同时,在质料中嵌入驱动、逻辑和感知等能力,将“物质程序化”这一造物方法酿成了现实,战胜了物体生产制造的空间限制,在工业、医疗、艺术等诸多领域体现重大的应用潜力。。。。。。。

智能质料是研制高手艺产品、高附加值装备的基础,而增材制造手艺则是相同质料与产品的要害性手艺,也是将智能质料研究理论和研究效果转化成新手艺、新要领和新应用的有用手段。。。。。。。随着研究职员对智能质料的一直深入熟悉,实现具有热、电、磁、光和化学物质等多感知能力,变形、变色和变功效多功效一体化,以及具有信号处置惩罚、逻辑判断和自我感知多控制机理团结的智能质料增材制造系统,将孕育新一代手艺革命。。。。。。。本文将从差别智能质料的增材制造手艺,以及增材制造对智能结构的设计、制造和应用所带来的有益之处睁开叙述,剖析增材制造智能质料的应用远景及未来生长。。。。。。。

1、增材制造金属类智能质料

增材制造金属类智能质料主要有形状影象合金(shapememoryalloys,SMA)和磁致伸缩质料(magnetostrictivematerials)。。。。。。。常用的金属类智能质料增材制造手艺主要有激光选区熔化(selectivelasermelting,SLM)、激光近净成形(laserengineerednetshaping,LENS)、电弧增材制造(wireandarcadditivemanufacture,WAAM)。。。。。。。

1.1形状影象合金

形状影象合金是一类奇异的金属间化合物,在外界热或机械刺激下实现可逆的相转换。。。。。。。SMA可分为NiTi基、Cu基和Fe基形状影象合金[5-7]。。。。。。。自20世纪60年月早期开发了Ni-Ti,Au-Cd,Ni-A1等形状影象合金后,研究职员就一直在探索怎样使用形状影象合金的特殊特征,将其应用在微机电系统、生物医疗、航空航天和机械制造等领域[8]。。。。。。。SMA体现出特殊的形状影象效应和超弹性行为,其实质是在外界温度、应力或应变的条件下诱发SMA的马氏体相变。。。。。。。

NiTi形状影象合金具有富厚的相变征象、优异的形状影象和超弹性行为、优良的力学性能、耐侵蚀和生物相容性,受到了质料科学和工程界的重视[9]。。。。。。。Chalker等[10]报道了通过SLM手艺成形NiTi合金的事情,所成形的NiTi合金样件体现出60%~80%变形率。。。。。。。自此,研究职员寻找到了一种新的SMA的加工方法,虽然其样件质量和变形回复率相比于古板工艺所制备的NiTi合金仍有着显着的差别,但为成形重大结构SMA提供了新的解决计划。。。。。。。随着研究的深入,研究职员相继通过LENS[11]和WAAM手艺[12]乐成成形了NiTi合金。。。。。。。在对NiTi合金增材制造历程的研究中发明,岂论通过何种增材制造手艺,成形历程中大梯度和高瞬态的热历史对样件内部相变演化有着显著的影响,怎样通过调控成形工艺、设计合金组分和优化后处置惩罚工艺等方法实现对增材制造NiTi合金析出相、晶粒形貌、相变温度和相变区间的控制成为该领域的研究重点[13]。。。。。。。Zhang等[14]系统地研究了SLM成形NiTi历程中孪晶、位错和析出相等方面演变机制。。。。。。。与古板加工要领相比,SLM成形历程具有重大瞬态热历史,这使得SLM成形的NiTi合金具有奇异的微观结构特征,这也付与了SLM制备的NiTi合金奇异的性能。。。。。。。

二元NiTi形状影象合金与其他SMA相比性能方面占有着绝对的优势[15],可是NiTi合金也有着相变温度低、对因素敏感的问题,因此通过引入第三元素构建Ni-Ti-X合金系统,调理NiTi合金马氏体相变温度,从而拓展NiTi合金的应用领域。。。。。。。典范的代表有Ni-Ti-X高温SMA[16],Ni-Ti-Cu窄滞后SMA[17]和Ni-Ti-Nb宽滞后SMA[18]。。。。。。。商用的NiTi合金马氏体

相变温度一样平常低于100℃,该温度也是形状影象合金装置的行动温度,因此通过添加第三元素,提升SMA的马氏体相变温度,可有用地扩展NiTi合金在汽车、核工业等需要高事情温度的领域应用。。。。。。。Elahinia等[19]报道了通过SLM手艺成形Ni49.8Ti30.2Hf20高温形状影象合金,通过引入Hf显著提高了NiTi合金的马氏体相变温度。。。。。。。与通过古板手艺所制备的NiTiHf合金相比,SLM成形导致Ni元素的蒸发和氧含量的增高,相变温度有所降低,但样件仍具有优异的形状影象效应和较高的相变温度。。。。。。。Shiva等[20-21]通过激光增材制造手艺成形了差别Cu含量的NiTiCu形状影象合金,成形的NiTiCu合金均坚持了优异的窄相变滞后效应。。。。。。。

Cu基形状影象合金[22]主要可分为Cu-Zn和Cu-Al两大类,其中最具有适用价值的是Cu-Zn-Al系、Cu-Al-Ni系和Cu-Al-Mn系SMA。。。。。。。只管Cu基合金的某些特征缺乏NiTi合金,但其易加工、价钱低的特点受到了大批研究者的青睐。。。。。。。Cu基合金不含生动元素、热导率大、电阻小,在低温区相变温度转变规模较宽,机械加工性能好。。。。。。。2014,Gargarella等[23-26]报道了SLM成形的Cu-Al-Ni-Mn形状影象合金,通过控制SLM成形参数和添加Zr元素的方法,实现了合金力学性能和相转变温度的有用调控。。。。。。。Donoso等[27]报道了激光直接制造手艺(directmetallaserfabrication,DMLF)成形Cu-Al-Ni形状影象合金,通过控制成形参数和Al元素含量,实现了相变温度滞后量的调理。。。。。。。唬；；；；锌萍即笱У氖酚裆淌谕哦覽28-30]报道了通过SLM成形Cu-Al-Mn-La和Cu-Al-Ni-Ti形状影象合金的事情,通过对成形工艺的优化实现了高致密度、晶粒细化且脆性相获得有用抑制的Cu基SMA的增材制造。。。。。。。增材制造手艺因其加工区域极小、质料成形时骤冷的特点,质料微观组织和力学性能有别于古板加工要领,通过增材制造手艺有用解决了Cu基SMA加工难题,实现了高致密度、匀称细晶、相变温度可调的Cu基SMA的制造。。。。。。。

Fe基形状影象合金[31]是继NiTi和Cu基SMA后开发的第三代SMA。。。。。。。Fe基SMA因其强度高、易于冷加工、价钱自制、适用于古板的炼钢要领生产的优点,普遍应用于石油化工、机械制造等领域。。。。。。。自20世纪70年月最先,研究职员相继研发出一系列Fe基SMA,如Fe-Pt合金、Fe-Ni-C合金、Fe-Mn-Si合金等。。。。。。。

然而通过增材制造的方法成形Fe基SMA的研究却鲜有报道。。。。。。。2016年,Niendorf等[32]首次通过SLM成形了Fe-Mn-Al-Ni形状影象合金,该研究以为成形参数和三维结构对样件热梯度和冷却速率有着显著的影响,这对微观组织结构演变起着至关主要的作用。。。。。。。关于Fe基或其他SMA,晶体结构是影响形状回复率和相变温度的要害。。。。。。。金属质料的增材制造手艺作为一种可直接实现微观结构设计、制造和控制的手艺,剖析其成形工艺和形状影象合金微观结构间的关系,将对实现金属基形状影象合金控形、控性制造起到至关主要的作用。。。。。。。

铁磁形状影象合金(ferromagneticshapememoryalloys,FSMA)是在一定温度规模内磁场诱发应变,晶体沿外加磁场偏向变形的质料[33-34]。。。。。。。Mostafaei等[35]通过黏结剂喷射打印手艺(binderjet,BJ)打印了Ni-Mn-Ga铁磁形状影象合金,并研究了烧结后的Ni-Mn-Ga合金组织、相变温度和磁性能。。。。。。。如图1所示,Caputo等[36]通过BJ打印手艺成形了Ni-Mn-Ga质料,经热磁机械训练的Ni-Mn-Ga打印零件达0.01%可逆磁场诱导应变,增材制造手艺是解决Ni-Mn-Ga磁性形状影象合金部件制造问题的一种可行手艺。。。。。。。该领域的研究事情尚处于起步阶段,鲜见其他相关报道。。。。。。。

1.2磁致伸缩质料

当质料内部磁畴在与外界磁场一致时,质料沿磁场偏向爆发应变的征象为磁致伸缩征象[2]。。。。。。。与受温度场驱动的形状影象合金相比,磁致伸缩合金具有响应频率高、控制精度高的特点,但也保存质料应变小的问题。。。。。。。

古板磁致伸缩质料[37](magnetostrictivematerial),如镍基合金、铁基合金等因磁致伸缩率低,应用远不如压电质料,但随着稀土类磁致伸缩质料(TbDyFe合金等)和新型磁致伸缩质料(FeGa等)的生长,该质料重新获得了重视。。。。。。。磁致伸缩质料具有转达大载荷、高频响应和换能效率高的特点。。。。。。。Yang等[38-39]通过激光熔覆增材制造手艺(lasercladding)成形了Fe-Co-V基合金,并剖析了添加Al元素和Sm元素对合金的相组成、显微组织、磁致伸缩系数和磁致伸缩饱和场的影响。。。。。。。超声增材制造手艺(ultrasonicadditivemanufacturing,UAM)是一种能在低温下成形金属质料的增材制造手艺,该手艺是将金属薄板在压力作用下,通过超声振动将差别金属质料逐层团结的要领。。。。。。。Dapino等[40-41]通过该手艺成形了FeGa-Al和NiTi-Al多质料三维实体结构。。。。。。。该手艺是基于质料外貌固态扩散焊接机制实现质料间的毗连,但所成形的结构仍需要进一步的数控加工。。。。。。。虽然UAM手艺阻止了激光成形金属质料热历史和微观组织演变的影响,可是该手艺也失去了增材制造手艺成形重大构件的优势。。。。。。。

表1[10-12,14,19-21,23-30,32,35-36,38-41]对增材制造种种金属类智能质料的实现方法和驱动模式举行了归纳总结,可以看出增材制造SMA取得阶段性的研究效果,且部分研究已推向工业化应用。。。。。。。而增材制造磁致伸缩质料尚处于起步阶段,在解决其磁致伸缩性能差以及制件脆性大、易爆发裂纹等弱点后,可有用拓展磁致伸缩质料的应用领域。。。。。。。

2、增材制造高分子类智能质料

智能高分子质料[42]是一种可以感受外界情形转变并爆发响应的高分子质料。。。。。。。高分子质料的结构具有重大性和多样性,可通太过子设计、有机合成、复合以及界面和外貌功效化等方法,付与质料感知情形、刺激响应、自我修复和情形应变等能力。。。。。。。现已有多种刺激方法可用于触发智能高分子质料爆发变形,如热、光照、电场、磁场、pH值转变以及湿度等。。。。。。。常用的增材制造智能高分子质料的手艺主要有熔融沉积成形手艺(fuseddepositionmodeling,FDM)、立体光刻成形手艺(vatphotopolymerization)、墨水直写手艺(directinkwriting,DIW)和喷墨打印手艺(inkjet)。。。。。。。增材制造智能聚合物质料主要有形状影象聚合物(shapememorypolymer,SMP)、智能水凝胶(intelligenthydrogel)、压电聚合物(piezoelectricpolymer)、液晶弹性体(liquidcrystalelastomers,LCE)、介电弹性体(dielectricelastomer,DE)和离子聚合物-金属复合质料(ionicpolymer-metalcomposite,IPMC)等。。。。。。。

SMP变形是由高分子质料中分子链的取向与漫衍的转变引起的。。。。。。。与SMA相比,SMP具有密度小、应变大、刺激响应规模广、赋形容易,且优异的电绝缘性和保温效果的优势,可是SMP保存变形回复力小、回复精度不高等弱点。。。。。。。智能水凝胶[43]是在古板水凝胶基础上开发的,在外部情形改变的条件下,体现出有纪律的结构和体积转变的水凝胶质料。。。。。。。现在智能水凝胶质料在化学转换器、影象元件开关、传感器、人造肌肉、化学存储器、分子疏散系统、调光质料、酶和细胞的智能牢靠化以及药物可控释放等领域有着普遍的研究和应用。。。。。。。压电质料[44]作为智能质料的主要组成部分,既可以用作传感器又能作驱动器,是传感-执行一体化智能器件的理想质料之一。。。。。。。LCE[45-47]是一种具有高变形率、可编程和可逆形变的高分子质料,其普遍应用于驱动器、软体机械人和生物医疗器械等领域。。。。。。。LCE中液晶基元的有序结构与高分子骨架相互关联,通过改变液晶排列即可实现质料的宏观形变。。。。。。。DE[48]是使用电场控制弹性体压缩形变的商业化软智能质料,具有稳固性高、重复性好的优点,弱点是需要极高的电场驱动形变。。。。。。。IPMC是一种由在电场作用下聚合物内部离子迁徙改变聚合物内离子浓度,并由溶剂累积形成了层状结构的差池称膨胀弯曲的复合质料。。。。。。。IPMC具有驱动电压低、应变响应大、结构无邪柔软和可在水情形下事情的优点。。。。。。。

2.1热致变形高分子质料

热致感应型SMP一样平常是由牢靠相和可逆相组成,牢靠相影象起始态,可逆相随温度转变爆发可逆的固化和软化。。。。。。。牢靠相以交联方法的差别可分为热塑性SMP和热固性SMP。。。。。。。

作为被应用最多的增材制造手艺之一[49],FDM手艺是实现热致感应型SMP及其复合质料增材制造的有用手段。。。。。。。热塑性SMP多是通过FDM原理成形。。。。。。。例如,如图2(a)所示,Wang等[50]将变色染料和聚乳酸(polylacticacid,PLA)混淆,并通过FDM打印手艺实现了形状-颜色双响应结构的成形。。。。。。。通过将PLA、热塑性聚氨酯(thermoplasticpolyurethanes,TPU)、聚己内酯(polycaprolactone,PCL)[51]等高分子与碳化硅(siliconcarbide,SiC)[52]、碳纳米管(carbonnanotube,CNT)[53]、氧化石墨烯(grapheneoxide,GO)[54]、炭黑(carbonblack,CB)[55]等导电或导热质料共混制备复合质料,可实现具有多功效、多质料和多响应模式的功效器件的一体化制造。。。。。。。墨水直写打印手艺(DIW)具有质料适用规模广、质料固化手段多和多质料一体化成形的特点。。。。。。。DIW手艺通过差别固化要领,可将热固性高分子质料、凝胶、陶瓷质料等制备成具有一定黏度液体质料。。。。。。。另外差别热塑性高分子质料具有差别的熔点,通过FDM手艺举行多质料打印时,层间团结性能较差,而关于DIW手艺可接纳统一或相近墨水系统打印,阻止了多质料打印的层间团结差的问题。。。。。。。如图2(b)所示,Ma等[56]制备了具有热响应和磁响应的光固化打印浆料,并在成形历程中在形成池两侧施加外部磁场,以控制浆料内NdFeB颗粒漫衍偏向,从而实现了外部热源驱动SMP和磁性软质料的一体化成形。。。。。。。别的,通过DIW成形软体机械人[57]、变形响应传感器件[58]和双重响应智能水凝胶[59]等智能器件也有所报道。。。。。。。DIW手艺具有质料适用性广、固化成形多样的优势,是实现复合质料[60-61]、多质料[62-63]增材制造的有用手段。。。。。。。

立体光刻手艺是通过光引发质料的交联聚合实现质料的液-固相转变的增材制造手艺,该手艺在成形速率、成形精度和多手艺融合等方面有着优势[64-66]。。。。。。。立体光刻手艺主要有立体光刻成形(stereolithography,SLA)、数字光处置惩罚成形(digitallightprocessing,DLP),近几年相继又泛起面投影微立体光刻(projectionmicrostereolithography,PμSL)、一连液体界面制造(continuousliquidinterfaceproduction,CLIP)[67]、盘算轴向光刻(computedaxiallithography,CAL) [68]等立体光刻手艺。。。。。。。但有限的质料系统、较低的使用寿命和高昂的制造本钱也限制了立体光刻手艺在现实生产中的应用。。。。。。。Choong等[69]通过调理固化系统中单体和交联剂的配比,合成了可用于SLA手艺的形状影象聚合物,固化剂作为SMP中的牢靠相起到了调理光固化SMP质料形状影象性能和寿命的作用。。。。。。。Mishra等[70]接纳多质料立体光刻手艺,打印了以水凝胶为基体的手指状弹性驱动器,该驱动器可通过模拟自主“排汗”维持驱动器在高温下事情稳固。。。。。。。

图2(c)展示了以聚(N-异丙基丙烯酰胺)(poly-N-isopropylacrylamide,PNIPAm)为主体质料的驱动器,驱动器外貌打印感受外界温度转变后自主翻开或关闭的微孔层,通过微孔自主排汗调理柔性机械手事情温度以及提升机械式握持力。。。。。。。立体光刻手艺所使用的光敏树脂可通过制备复合质料的要领,实现如导电[71]、导热[72]、微波吸收[73]、生物相容[74]等功效性器件的制造。。。。。。。喷墨打印手艺(Inkjet)是将打印墨水通过热或压电驱动的方法选择性沉积在基板外貌,沉积的墨水通过化学反应、温度转变、激光或UV照射实现质料的

固化。。。。。。。Ge等[75-76]将热致变形SMP纤维包埋于Inkjet手艺打印的弹性体内,构建了温度驱动的执行器。。。。。。。经热机械训练后,智能活性铰链可实现预设角度的折叠。。。。。。。

如图2(d)所示,Ding等[77]通过Inkjet手艺打印了SMP和内置压缩应变的弹性体复合结构,在加热历程中,弹性驱动SMP变形从而将所成形器件快速转变为新的永世结构,所打印的复合质料结构无需SMP的热机械训练,这极大地简化了3D打印可编程结构的制造流程。。。。。。。

2.2电致变形高分子质料

电致变形高分子质料是一类在电刺激条件下爆发变形响应的质料,如电致变形SMP,电致变形形状影象水凝胶(shapememoryhydrogel,SMH),压电聚合物,LCE,DE等[78]。。。。。。。关于电致变形SMP,其变形驱动的机制与热致变形SMP变形驱念头制相同,是由通过添加的导电填料改善SMP的导电性,使用电流热效应作用于高分子质料自己并引起热响应变形。。。。。。。与电致变形SMP变形机理差别,压电聚合物,LCE,DE,IPMC则是由电场直接引起的变形。。。。。。。

在压电质料打印方面,Li等[79]通过电场辅助FDM打印手艺打印了铌酸钾钠(K1/2Na1/2NbO3,KNN)/聚偏氟乙烯(polyvinylidenefluoride,PVDF)复合质料,在打印的历程中通过辅助电场直接极化。。。。。。。别的,PVDF等压电高分子质料也可通过DIW[80]和SLA[81]手艺打印,并通过添加BaTiO3[82],KNN颗粒提升器件整体压电性能。。。。。。。在DE质料打印方面,Zhou等[83]通过FDM成形DE质料,该柔性机械手在加载电压至5kV时,体现出显着的形变。。。。。。。但DE变形偏向受电极偏向限制,需要通过团结增材制造设计要领和成形工艺以填补,如图3(a)所示。。。。。。。在电活性水凝胶打印方面,如图3(b)所示,Han等[84]通过PμSL打印了电活性水凝胶,在改变加载电压强度和偏向时,所成形的柔性机械手实现双向和恣意角度变形。。。。。。。电致变形高分子质料与电流引起的质料变形相比,具有响应快、控制准确、外部刺激源加载简朴的特点,另外部分电致变形高分子质料无需热机械训练工艺,这大大地简化了变形智能器件的制造流程。。。。。。。

2.3磁致变形高分子质料

磁致变形高分子质料凭证变形原理差别可分为由磁热效应驱动的磁致变形SMP质料和由包裹在基体质料内的磁性粒子驱动的复合质料弹性体。。。。。。。磁致变形SMP一样平常是通过在热致变形SMP中添加铁磁性物质,并在磁场作用下因功率消耗爆发热量驱动热致SMP基体的变形。。。。。。。如图4(a)所示,Zhang等[85]通过FDM手艺打印了Fe3O4/PLA复合质料支架,所打印的支架在27.5kHz频率的交变磁场驱动下可匀称加热至40℃,所制备的支架在骨组织修复领域有着重大的应用远景。。。。。。。然而,与电致变形SMP相比,磁驱动SMP需要强磁场才华爆发足够的焦耳热。。。。。。。

与磁致变形SMP相比,通过磁性粒子直接驱转动性基体爆发可逆变形的质料,具有响应速率快、变形量和变形速率可控的优势。。。。。。。Kim等[86]报道了磁场作用的DIW打印手艺,在打印历程中磁微粒在外加磁场作用下重定向,从而实现在三维重大结构内的磁畴的可控排布,打印的柔性子料在磁场驱动下可快速往复变形。。。。。。。Wu等[87]通过选择性激光烧结(selectlasersintering,SLS)手艺打印了NdFeB/TPU多孔复合结构,付与器件机械能转化成电能的功效。。。。。。。通过调理NdFeB粉末含量、磁场作用偏向和支架结构几何参数,实现了输出电压的调理。。。。。。。Bastola等[88]剖析了DIW打印磁流变弹性体历程中打印参数与挤出丝束质量间的关系,在此基础上实现了弹性体内磁流变液的可控沉积。。。。。。。如图4(b)所示,Jackson等[89]将3D打印手艺与磁流变液相团结,提出了磁场响应机械超质料看法,实现了磁场调制、远程控制的机械超质料器件的增材制造。。。。。。。

2.4光致变形高分子质料

为实现高分子质料光致变形,现在常用的要领是在SMP中引入光热转换质料或者光敏官能团[90]。。。。。。。如图5(a)所示,Yang等[91]通过FDM手艺打印了CB/TPU形状影象复合质料,使用加入的CB高效的光热转换,实现在光照条件下打印的向日葵睁开和闭合。。。。。。。

Jeong等[92]使用商业化Polyjet打印机打印多彩SMP质料,使用质料的选择性光吸收和光热效应,实现SMP质料的远程非接触变形控制。。。。。。。光热SMP质料变形的实质仍与热致变形SMP变形机理一致。。。。。。。由于可见光和红外辐射驱动的形状影象效应仍是基于光热转换效应,因此在设计光致变形智能器件时,需对样件几何构型和颗粒漫衍举行细腻设计。。。。。。。

与通过光热效应控制SMP变形的机理差别,另一种光致变形SMP变形机制是聚合物中的光敏官能团在差别波长光的作用下,聚合物内部交联状态爆发可逆转变,聚合物在宏观上体现出暂时状态和永世形状间的转换,这种变换不依赖温度的改变。。。。。。。如图5(b)所示,Hagaman等[93]通过DIW手艺打印了含有偶氮苯基团的光致变形SMP,在外界光源的诱导下光响应基

团爆发可逆结构转换,所制备的光响应驱动用具有快速响应的特点。。。。。。。Ceamanos等[94]报道了在LCE中引入偶氮苯基团后,通过基团的光化学反应,引起液晶相态的转变,实现了光敏LCE的4D打印。。。。。。。Kabb等[95]报道了通过添加香豆素衍生物制备了水溶可逆的凝胶,经打印后的样件可在差别UV波长照射下实现水溶性的可逆转变。。。。。。。在这些通过增材制造成形的光致变形智能器件中,在外界光引发下器件体现出快速机械响应、高荷重比和远程受控的优势。。。。。。。但岂论何种光致变形高分子质料,均受结构尺寸和驱动力的限制,难以知足现实应用的需求。。。。。。。另外光热颗粒唬；；；；蚬饷艋判杈】赡艿馗患谥柿贤饷膊呕杏玫靥峁┍湫吻,这也是限制光致变形高分子质料应用的缘故原由之一。。。。。。。

2.5化学感应型高分子质料

化学感应型高分子质料是指高分子质料在化学物质作用下,泛起可逆变形的质料。。。。。。。唬；；；；Ц杏Ψ椒ㄓ行矶,例如pH敏感、盐敏感、葡萄糖敏感水凝胶等。。。。。。。智能水凝胶作为一类含有亲水基团、具有三维网络结构的高分子聚合物,具有极强的吸水和保水能力,在作为化学感应型质料具有奇异的优势。。。。。。。Tibbits等[96-97]通过改变刚性塑料和水凝胶两种质料的空间漫衍,设计并打印了一系列由两种质料组合成的铰链结构。。。。。。。该结构在浸入水后因水凝胶的膨胀作用,线性铰链结构自主折叠成三维立体结构。。。。。。。如图6所示,Dutta等[98]使用SLA手艺打印了具有热响应和pH响应的水凝胶质料,通过调解水凝胶组分,所打印的水凝胶体现出温度和pH值的双重响应效果。。。。。。。Huang等[99]通过CLIP手艺打印了钙离子触发变形的海藻酸(alginate)/聚丙烯酰胺(polyacrylamide,PAM)水凝胶。。。。。。。该水凝胶具有优良的离子电导率,可用于高迅速度压力传感器和重大柔性电子器件。。。。。。。

表2[50-59,64,69-70,75-77,79-89,91-99]对增材制造种种高分子类智能质料的实现方法和驱动模式举行了归纳总结,可以看泛起有的研究大大都是以热、电、光照、磁场等手段驱动SMP内牢靠相影象初始形状以及可逆相随温度爆发可逆固化和软化反应的方法实现变形。。。。。。。这种要领可操作性强、适用规模广,但保存着控制精度差、变形速率慢的弱点。。。。。。。关于智能水凝胶质料,在生物医药领域有着独到的优势,下一步研发具有高力学强度、耐严苛情形的水凝胶将具有优异的生长远景。。。。。。。而LCE质料、DE质料以及磁场驱动的质料则需要较强的外部驱动源,限制了此类质料的应用。。。。。。。因此,亟需新一代智能高分质料的研发,构建适用于新质料的增材制造手艺,并进一步解决增材制造智能高分子质料的基础科学问题和工程手艺问题。。。。。。。未来将需要在研发新一代快速响应、高机械强度和情形耐受性强的智能高分子质料,具有自感知、自判断、自执行、自诊断功效的智能器件设计及增材制造要领,增材制造智能高分子质料服役及失效机理等方面实现突破。。。。。。。

3、增材制造陶瓷类智能质料

形状影象陶瓷凭证变形机理的差别,可分为黏弹性形状影象陶瓷、马氏体相变形状影象陶瓷和铁电形状影象陶瓷。。。。。。。形状影象陶瓷与形状影象合金相比,形状影象变形量小,相变热滞大,且在相变历程中随着累积变形的增添,导致裂纹的爆发。。。。。。。多种增材制造手艺可用于形状影象陶瓷的成形,如SLS,FDM,DIW和SLA手艺。。。。。。。

典范的马氏体形状影象陶瓷氧化锆陶瓷(ZrO2),是一种与具有马氏体相变合金相似的陶瓷质料,在应力诱导或加热条件下,实现可逆相转变。。。。。。。He等[100]通过DLP手艺打印了具有重大结构的ZrO2形状影象陶瓷,经烧结后所打印的零件具有较高的致密度。。。。。。。虽然有大宗关于增材制造ZrO2质料的报道[101-103],但多集中于ZrO2质料的耐高温顺生物性能,鲜见关于质料形状影象效应的研究事情。。。。。。。

作为获得普遍应用的铁电形状影象陶瓷,具有反应速率快、优异的变形可控性、低能耗的特点。。。。。。。可是由于受到陶瓷质料力学性能的限制,形状影象陶瓷变形量较小,且随着循环次数的增添形状回复率显著降低。。。。。。。铁电形状影象陶瓷是通过铁电相变爆发形状影象效应的一种质料,主要有锆钛酸铅(Pb[ZrxTi1-x]O3,PZT)、铌镁酸铅-钛酸铅(Pb[Mg1/3Nb2/3]O3-PbTiO3,PMN-PT)、钛酸钡(BaTiO3,BT)和铌酸钾钠((K,Na)NbO3,KNN)[104]。。。。。。。Gureev等[105]通过SLS手艺成形了具有较高致密度的PZT质料。。。。。。。Macedo等[106]通过SLS手艺成形了高致密度和具有高压电系数的钛酸铋质料。。。。。。。

为改善陶瓷质料易开裂和寿命短的问题,通过SLS手艺成形铁电陶瓷/高分子复合质料系统具有更大的应用价值。。。。。。。Qi等[107]通过SLS手艺制备了聚酰胺11(poly-ω-aminoundecanoyl,PA11)/BT/CNT三元复合质料系统,所制备的复合粉体具有更高的激光吸收率和更宽的烧结参数窗口。。。。。。。别的,挤出式增材制造手艺FDM和DIW手艺普遍应用于智能陶瓷复合质料的打印。。。。。。。Castles等[108]和Kim等[109]均通过FDM手艺打印了BaTiO3/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)和CNT/BaTiO3/PVDF复合质料。。。。。。。如图7(a)所示,Bodkhe等[110]通过多质料共挤出DIW打印手艺同时挤出BT/PVDF压电层和导电墨水层。。。。。。。通过该成形要领实现了电极质料和压电质料的同时成形,该手艺可用于打印传感-执行一体化智能器件、微动传感器和可衣着装备等。。。。。。。如图7(b)所示,Liu等[111]接纳DIW手艺打印ZrO2/PDMS复合质料,并通过自动拉伸装置在基底拉伸爆发预应力,在其上面打印出主结构。。。。。。。当预应力释放后,形成4D打印所需的弹性体结构。。。。。。。Li等[112]系统地研究了锆钛酸铅镧((Pb,La)(Zr,Ti)O3,PLZT)打印墨水的制备及其DIW成形原理。。。。。。。在经4h烧结后,PLZT打印样件具有较高的致密度。。。。。。。

与其他的以压电聚合物作为树脂基体打印铁电陶瓷的研究事情差别,Lim等[113]通过可快速挥发的溶剂作为BT颗粒载体,打印完成后经溶剂挥发后实现在柔性基体上BT质料的成形,该要领可用于制造可衣着装置、情形机械能网络装置、柔性传感器等。。。。。。。Chen等[114]通过微立体光刻(micro-stereolithography,μSL)手艺制备了KNN无铅压电陶瓷质料,并接纳两步脱粘烧结工艺,获得了形状重大、致密的KNN陶瓷。。。。。。。这些打印的KNN陶瓷具有优良的压电和铁电性能,可抵达古板要领制备的KNN压电陶瓷性能。。。。。。。压电陶瓷/聚合物复合质料系统具有压电陶瓷的硬度、电性能和优异压电性能的特点,并同时具有聚合物的柔韧性、低密度和成形工艺简朴的特点。。。。。。。

4、竣事语

本文叙述了金属、高分子和陶瓷类智能质料增材制造生长现状,智能质料是20世纪70年月生长起来的新兴功效质料,而增材制造则是20世纪80年月末问世的新兴制造要领,因此“3D打印+智能质料”的看法引起了研究职员极大的兴趣,多种新打印要领、质料和装置近年来大宗地涌现。。。。。。。然而与许多其他新兴手艺一样,智能质料增材制造手艺在现实应用中仍面临着许多挑战。。。。。。。

增材制造手艺不但为智能质料的设计、制造和应用带来了一场倾覆性革命,同时也为航空航天、汽车制造、消耗产品和生物医学等领域注入了新鲜的血液。。。。。。。增材制造手艺通过提供自由设计、大规模定制、多质料制造以及生产重大几何形状部件的能力,解放了制造业、引发了立异理念。。。。。。。但与此同时增材制造在与古板学科融合的历程中也亟需一套周全的设计原则、制造指南和实践应用标准。。。。。。。

增材制造智能质料的研究事情主要集中在制造方面(如新质料的开发、新制造蹊径的论证等)。。。。。。。然而,很少研究能够充分使用增材制造智能质料所带来的设计自由度的提升。。。。。。。怎样构建融合质料、功效、几何构型及随时间转变等特征的一体化数字模子,并将数字模子每个体素点关联质料组合、结构设计或加工信息是下一步增材制造智能质料的研究重点。。。。。。。通过新型数字模子的建设,提取体现智能器件时间和空间特征的相关参数,并进一步研究多刺激和多响应建模、功效演变和器件间的相互作用机制,可有用地展望包括形状影象质料、智能水凝胶、压电质料等恣意增材制造智能质料的变形纪律。。。。。。。

增材制造所涉及的智能质料涵盖了金属、高分子和陶瓷质料。。。。。。。增材制造用智能质料的生长高度依赖于质料科学领域的突破。。。。。。。增材制造金属类智能质料的粉末因素设计、粉末制备要领、成形工艺妄想和热处置惩罚工艺妄想均影响所成形器件最终功效。。。。。。。金属类智能质料因其较为苛刻的应用要求,在知足所需功效的条件下,仍需包管所成形器件的力学性能、抗疲劳性能和耐侵蚀性能等。。。。。。。与金属类智能质料相比,增材制造高分子类智能质料,在刺激信号识别、响应机制方面更为无邪,但其也有响应精度差、寿命低和变形能量密度低的问题。。。。。。。增材制造用高分子类智能质料正朝多刺激模式、多响应方法和多质料团结的偏向生长。。。。。。。同样地,增材制造陶瓷类智能质料也保存变形小、寿命差的问题。。。。。。。

可以看出,通过简单质料系统已经无法知足各领域的应用需求,因此怎样实现多质料尤其是差别系统多质料的增材制造将是未来生长的重点。。。。。。。

增材制造随着手艺的一直前进,履历了从“从无到有”到“从有到好”到现在的“智能打印”的生长历程,质料上也从古板结构质料、复合质料过渡到现在的智能质料,所打印的器件也从结构支持件生长成了现在的“结构-功效一体化”、“宏微观一体化”和“变形-变性-变功效”的智能器件。。。。。。。增材制造手艺的前进是离不开新质料研制、新结构设计理论、新建模工具和新评价系统各方面的前进。。。。。。。因此,研发新一代混淆式增材制造手艺成形多激励响应、多功效的新型智能质料,实现“结构-功效”一体化智能构件的表达,将是智能质料增材制造要领的研究重点。。。。。。。

参考文献

[1] 史玉升,伍宏志,闫春泽,等.4D打印———智能构件的增材制造手艺[J].机械工程学报,2020,56(15):1-25.

SHIYS,WU HZ,YANCZ,etal.Four-dimensionalprinting—theadditive manufacturingtechnologyofintelligentcomponents  [J].JournalofMechanicalEngineering,2020,56(15):1-25.

[2] 曾成均,刘立武,边文凤,等.激励响应复合质料的4D 打印及其应用研究希望[J].质料工程,2020,48(8):1-13.

ZENGCJ,LIUL W,BIAN W F,etal.Progressin4Dprintingofstimulus-responsivecompositesanditsapplications[J].Journalof MaterialsEngineering,2020,48(8):1-13.

[3] TAKAGIT.Aconceptofintelligentmaterials[J].JournalofIn-telligentMaterialSystemsandStructures,1990,1(2):149-156.

[4] ALIM H,ABILGAZIYEV A,ADAIR D.4Dprinting:acritical reviewofcurrentdevelopments,andfutureprospects[J].TheIn-ternational Journal of Advanced Manufacturing Technology,2019,105(1/4):701-717.

[5] ELAHINIA M H,HASHEMIM,TABESH M,etal.Manufac-turingandprocessingofNiTiimplants:areview[J].Progressin MaterialsScience,2012,57(5):911-946.

[6] 黄海友,王伟丽,刘记立,等.高性能 Cu基形状影象合金组织设计研究希望[J].中国质料希望,2016,35(11):835-842.

HUANG H Y,WANG W L,LIUJL,etal.Progressonmicro-structuredesignofhighperformanceCu-basedshapememoryal-loys[J].MaterialsChina,2016,35(11):835-842.

[7] MARUYAMA T,KUBO H.Ferrous(Fe-based)shapememory alloys(SMAs):properties,processingandapplications [M]∥WoodheadPublishingSeriesin MetalsandSurfaceEngineering.Shape Memoryand Superelastic Alloys.Cambridge:Woodhead Publishing,2011:141-159.

[8] LESTERB T,BAXEVANIS T,CHEMISKY Y,etal.Reviewandperspectives:shapememoryalloycompositesystems[J].ActaMechanica,2015,226(12):3907-3960.

[9] PARVIZIS,HASHEMISM,ASGARINIAF,etal.Effectivepa-rametersonthefinalpropertiesofNiTi-basedalloysmanufactured bypowdermetallurgymethods:areview[J].Progressin Materi-alsScience,2021,117:100739.

[10] CLAREA T,CHALKERPR,DAVIESS,etal.Selectivelaser meltingofhighaspectratio3D nickel-titanium structurestwo waytrainedforMEMSapplications[J].InternationalJournalof MechanicsandMaterialsinDesign,2008,4(2):181-187.

[11] KRISHNAB V,BOSES,BANDYOPADHYAY A.Laserpro-cessingofnet-shapeNiTishapememoryalloy[J].Metallurgical andMaterialsTransactionsA,2007,38(5):1096-1103.

[12] WANGJ,PANZ,YANG G,etal.Locationdependenceofmi-crostructure,phasetransformationtemperatureand mechanical propertiesonNi-rich NiTialloyfabricatedbywirearcadditivemanufacturing[J].MaterialsScienceandEngineering:A,2019,749(11):218-222.

[13] ELAHINIA M,SHAYESTEH MOGHADDAM N,TAHERI ANDANIM,etal.FabricationofNiTithroughadditivemanu-facturing:areview [J].Progressin MaterialsScience,2016,83:630-663.

[14] ZHANGQ,HAOS,LIUY,etal.Themicrostructureofaselec-tivelaser melting (SLM)-fabricated NiTishape memoryalloy withsuperiortensilepropertyandshapememoryrecoverability[J].AppliedMaterialsToday,2020,19:100547-100559.

[15] 尹燕,徐仰涛,沈婕,等.三元 Ni-Ti基形状影象合金的研究现状[J].质料导报,2006,20(12):70-73.

YIN Y,XU Y T,SHENJ,etal.Reviewontheresearchstatusofternary NiTishape memoryalloy[J].Materials Reports,2006,20(12):70-73.

[16] UMALET,SALAS D,TOMESB,etal.Theeffectsofwide rangeofcompositionalchangesonthemartensitictransformation characteristicsofNiTiHfshapememoryalloys[J].Scripta Ma-terialia,2019,161:78-83.

[17] NESPOLIA,PASSARETTIF,VILLA E.Phasetransitionand mechanicaldampingproperties:aDMTAstudyofNiTiCushape memoryalloys[J].Intermetallics,2013,32:394-400.

[18] WANG M,JIANG M,LIAOG,etal.Martensitictransformation involved mechanicalbehaviorsand widehysteresisof NiTiNb shapememoryalloys[J].ProgressinNaturalScience:Materials International,2012,22(2):130-138.

[19] ELAHINIA M,MOGHADDAM N S,AMERINATANZIA,etal.Additive manufacturingofNiTiHfhightemperatureshape memoryalloy[J].ScriptaMaterialia,2018,145:90-94.

[20] SHIVAS,PALANIIA,MISHRA SK,etal.InfluenceofCu additiontoimproveshapememorypropertiesinNiTialloysde-velopedbylaserrapidmanufacturing[J].JournalofLaserMicroNanoengineering,2016,11(2):153-157.

[21] SHIVAS,YADAIAH N,PALANIIA,etal.Thermomechani-calanalysesandcharacterizationsofTiNiCushapememoryalloy structuresdevelopedbylaseradditivemanufacturing[J].Journal ofManufacturingProcesses,2019,48:98-109.

[22] DASGUPTA R.Alookinto Cu-basedshape memoryalloys:presentscenarioandfutureprospects[J].Journalof MaterialsResearch,2014,29(16):1681-1698.

[23] MAZZERE,KIMINAMICS,GARGARELLAP,etal.Atomi-zationandselectivelasermeltingofaCu-Al-Ni-Mnshapememo-ryalloy[J].MaterialsScienceForum,2014,802:343-348.

[24] GARGARELLA P,KIMINAMI C S,MAZZER E M,etal.Phaseformation,thermalstabilityandmechanicalpropertiesofa Cu-Al-Ni-Mnshape memoryalloy prepared byselectivelaser melting[J].MaterialsResearch,2015,18:35-38.

[25] GUSTMANN T,NEVESA,K?HN U,etal.Influenceofpro-cessingparametersonthefabricationofaCu-Al-Ni-Mnshape-memoryalloybyselectivelasermelting[J].Additive Manufac-turing,2016,11:23-31.

[26] GUSTMANN T,DOSSANTOSJM,GARGARELLAP,etal.PropertiesofCu-basedshape-memoryalloyspreparedbyselec- tivelasermelting[J].ShapeMemoryandSuperelasticity,2017,3(1):24-36.

[27] DONOSOGR,WALCZAK M,MOOREER,etal.Towardsdi-rectmetallaserfabricationofCu-basedshapememoryalloys[J].RapidPrototypingJournal,2017,23(2):329-336.

[28] 党明珠,朱文志,田健,等.激光选区熔化成形 Cu-Al-Mn-La形状影象合金[J].电加工与模具,2020(1):52-54.

DANG M Z,ZHU W Z,TIAN J,etal.Cu-Al-Mn-Lashapememoryalloyprocessedbyselectivelasermelting[J].Electro-machining& Mould,2020(1):52-54.

[29] 田健,朱文志,魏青松,等.激光选区熔化成形 Cu-Al-Ni-Ti形状影象合金质料研究[C]∥中国机械工程学会特种加工分会、广东工业大学:第17届天下特种加工学术聚会论文集(下册).北京:中国机械工程学会,2017:6.

[30] TIANJ,ZHU WZ,WEIQS,etal.Processoptimization,micro-structuresandmechanicalpropertiesofaCu-basedshapememo- ryalloyfabricatedbyselectivelasermelting[J].JournalofAl-loysandCompounds,2019,785:754-764.

[31] 邹芹,党赏,李艳国,等.Fe-基形状影象合金的研究希望[J].质料导报,2019,33(23):3955-3962.

ZOU Q,DANGS,LIYG,etal.Researchprogressofiron-basedshapememoryalloys:areview[J].MaterialsReports,2019,33 (23):3955-3962.

[32] NIENDORFT,BRENNEF,KROOΒP,etal.Microstructurale-volutionandfunctionalpropertiesofFe-Mn-Al-Nishapememory alloyprocessedbyselectivelasermelting[J].Metallurgicaland MaterialsTransactionsA,2016,47(6):2569-2573.

[33] FARAN E,SHILO D.Ferromagneticshape memoryalloys—challenges,applications,andexperimentalcharacterization[J].ExperimentalTechniques,2016,40(3):1005-1031.

[34] BACHAGA T,ZHANGJ,KHITOUNI M,etal.NiMn-based Heuslermagneticshapememoryalloys:areview[J].TheInter-nationalJournalofAdvanced ManufacturingTechnology,2019,103(5):2761-2772.

[35] MOSTAFAEIA,KIMES K A,STEVENS E L,etal.Micro-structuralevolutionandmagneticpropertiesofbinderjetadditive manufacturedNi-Mn-Gamagneticshapememoryalloyfoam[J].ActaMaterialia,2017,131:482-490.

[36] CAPUTO M P,BERKOWITZAE,ARMSTRONG A,etal.4DprintingofnetshapepartsmadefromNi-Mn-Gamagneticshape- memoryalloys[J].AdditiveManufacturing,2018,21:579-588.

[37] NARITAF,FOX M.Areviewonpiezoelectric,magnetostric-tive,and magnetoelectric materialsanddevicetechnologiesfor energyharvestingapplications[J].AdvancedEngineering Mate-rials,2018,20(5):1700743.

[38] YANGXS,LIUJ,CUIX,etal.Effectofremeltingonmicro-structureandmagneticpropertiesofFe-Co-basedalloysproduced bylaseradditive manufacturing[J].Journalof PhysicsandChemistryofSolids,2019,130:210-216.

[39] 杨晓珊.激 光 增 材 制 造 Fe-Co基 合 金 的 磁 学 及 力 学 性 能 研 究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2019.

YANGXS.MagneticandmechanicalpropertiesofFe-Cobased alloysfabricatedbylaseradditive manufacturing[D].Harbin:HarbinEngineeringUniversity,2019.

[40] HAHNLENR,DAPINO MJ.Performanceandmodelingofac-tivemetal-matrixcompositesmanufacturedbyultrasonicadditive manufacturing[C]∥ ProceedingsofSPIE7979:IndustrialandCommercial Applications of Smart Structures Technologies 2011.Bellingham:SPIE-InternationalSocietyforOpticalEngi-neering,2011:797903.

[41] SCHEIDLERJJ,DAPINO MJ.StiffnesstuningofFeGastruc-turesmanufacturedbyultrasonicadditive manufacturing[C]∥ProceedingsofSPIE9059:IndustrialandCommercialApplica-tionsofSmartStructuresTechnologies2014.Bellingham:SPIE- TheInternationalSocietyforOpticalEngineering,2014:905907.

[42] XIA Y,HEY,ZHANGF,etal.Areviewofshapememorypol-ymersandcomposites:mechanisms,materials,andapplications[J].AdvancedMaterials,2021,33(6):2000713.

[43] 韩昕,李孟宇,肖航,等.水凝胶:智能质料的新平台[J].应用化工,2019,48(9):2184-2188.

HANX,LIM Y,XIAO H,etal.Hydrogel:anewplatformforsmartmaterials[J].Applied ChemicalIndustry,2019,48(9):2184-2188.

[44] CHENC,WANGX,WANGY,etal.Additivemanufacturingofpiezoelectric materials[J]. Advanced Functional Materials,2020,30(52):2005141.

[45] RASTOGIP,NJUGUNAJ,KANDASUBRAMANIAN B.Ex-plorationofelastomericandpolymericliquidcrystalswithphoto-thermalactuation:areview [J].European PolymerJournal,2019,121:109287.

[46] YUANC,ROACH DJ,DUNNCK,etal.3Dprintedreversibleshapechangingsoftactuatorsassistedbyliquidcrystalelasto-mers[J].SoftMatter,2017,13(33):5558-5568.

[47] KOTIKIAN A,MCMAHANC,DAVIDSONEC,etal.Unteth-eredsoftroboticmatterwithpassivecontrolofshapemorphingandpropulsion[J].ScienceRobot,2019,4(33):7044.

[48] 巫金波,温维佳.场诱导软物质智能质料研究希望[J].物理学报,2016,65(18):112-124.

WU JB,WEN W J.Researchprogressoffield-inducedsoftsmartmaterials[J].ActaPhysicaSinica,2016,65(18):112-124.

[49] KUANGX,ROACH DJ,WUJ,etal.Advancesin4Dprinting:materialsandapplications[J].AdvancedFunctionalMaterials,2019,29(2):1805290.

[50] WANGJ,WANG Z,SONG Z,etal.Biomimeticshape-colordouble-responsive4Dprinting[J].AdvancedMaterialsTechnol-ogies,2019,4(9):1900293.

[51] LIU H,HE H,HUANG B.Favorablethermoresponsiveshapememoryeffectsof3Dprintedpoly(lacticacid)/poly(ε-caprolac-tone)blendsfabricatedbyfuseddepositionmodeling[J].Macro-molecularMaterialsandEngineering,2020,35(11):2000295.

[52] LIU W,WU N,POCHIRAJU K.Relationshipbetweenconduc-tivitiesandshapememoryperformanceofFDM compositefila-ments[C]∥Proceedingsofthe ASME2017International Me-chanicalEngineeringCongressandExposition.Florida:Ameri-canSocietyofMechanicalEngineers,2017:70452.

[53] LIU Y,ZHANG W,ZHANGF,etal.Microstructuraldesignforenhancedshapememorybehaviorof4Dprintedcompositesbased oncarbonnanotube/polylacticacidfilament[J].CompositesSci-enceandTechnology,2019,181(8):107692.

[54] CHEN Q,MANGADLAOJD,WALLATJ,etal.3Dprintingbiocompatiblepolyurethane/poly(lactic acid)/graphene oxide nanocomposites:anisotropicproperties[J].ACSAppliedMateri-als&Interfaces,2017,9(4):4015-4023.

[55] CHEND,LIU Q,HANZ,etal.4Dprintingstrainself-sensingandtemperature self-sensing integrated sensor-actuator with bioinspiredgradientgaps[J].AdvancedScience,2020,7(13):2000584.

[56] MAC,WUS,ZE Q,etal.Magneticmultimaterialprintingfor multimodalshapetransformation withtunable propertiesand shiftablemechanicalbehaviors[J].ACSAppliedMaterials&In-terfaces,2020,13(11):12639-12648.

[57] KOTIKIAN A,TRUBYRL,BOLEYJW,etal.3Dprintingofliquidcrystalelastomericactuatorswithspatiallyprogramedne-maticorder[J].AdvancedMaterials,2018,30(10):1706164.

[58] WANX,ZHANG F,LIU Y,etal.CNT-basedelectro-respon-siveshapememoryfunctionalized3Dprintednanocompositesfor liquidsensors[J].Carbon,2019,155:77-87.

[59] NAFICYS,GATELY R,GORKINIIIR,etal.4Dprintingof reversibleshapemorphinghydrogelstructures[J].Macromolec- ularMaterialsandEngineering,2017,302(1):1600212.

[60] PINARGOTE N W S,SMIRNOV A,PERETYAGIN N,etal.Directink writingtechnology (3Dprinting)ofgraphene-based ceramicnanocomposites:areview[J].Nanomaterials,2020,10(7):1300.

[61] BEKASDG,HOUY,LIUY,etal.3Dprintingtoenablemulti-functionalityinpolymer-basedcomposites:areview[J].Compos-ites:PartB,2019,179:107540.

[62] RAFIEE M,FARAHANIRD,THERRIAULTD.Multi-mate-rial3Dand4Dprinting:asurvey[J].AdvancedScience,2020,7(12):1902307.

[63] HAN D,LEE H.Recentadvancesin multi-materialadditivemanufacturing:methodsandapplications[J].CurrentOpinionin ChemicalEngineering,2020,28:158-166.

[64] SHAN W,CHENY,HU M,etal.4Dprintingofshapememory polymervialiquidcrystaldisplay (LCD)stereolithographic3D printing[J].MaterialsResearchExpress,2020,7(10):105305.

[65] YANG Y,LIX,CHU M,etal.Electricallyassisted3Dprinting ofnacre-inspiredstructureswithself-sensingcapability[J].Sci-enceadvances,2019,5(4):9490.

[66] SAFAEES,CHENR.Investigationofamagneticfield-assisted digital-light-processingstereolithographyforfunctionallygraded materials[J].ProcediaManufacturing,2019,34:731-737.

[67] TUMBLESTONJR,SHIRVANYANTSD,ERMOSHKIN N,etal.Continuousliquidinterfaceproductionof3Dobjects[J].Science,2015,347(6228):1349-1352.

[68] KELLYBE,BHATTACHARYAI,HEIDARIH,etal.Volu-metricadditive manufacturingvia tomographicreconstruction [J].Science,2019,363(6431):1075-1079.

[69] CHOONG Y YC,MALEKSAEEDIS,ENG H,etal.4Dprint-ingofhighperformanceshape memorypolymerusingstereo- lithography[J].Materials& Design,2017,126:219-225.

[70] MISHRA AK,WALLINTJ,PAN W,etal.Autonomicperspi-rationin3D-printedhydrogelactuators[J].ScienceRobotics,2020,5(38):3918.

[71] MU Q,WANGL,DUNNCK,etal.Digitallightprocessing3D printingofconductivecomplexstructures[J].AdditiveManufac-turing,2017,18:74-83.

[72] DUAN W,LIS,WANG G,etal.Thermalconductivitiesand mechanicalpropertiesofAlNceramicsfabricatedbythreedimen-sionalprinting[J].JournaloftheEuropean CeramicSociety,2020,40(10):3535-3540.

[73] ZUO Y,YAOZ,LIN H,etal.Digitallightprocessing3Dprint-ingofgraphene/carbonyliron/polymethyl methacrylatenano-compositesforefficientmicrowaveabsorption[J].Composites:PartB,2019,179:107533.

[74] DIENELKEG,VANBOCHOVEB,SEPP?L?JV.Additivemanufacturingofbioactivepoly(trimethylenecarbonate)/β-tri-calciumphosphatecompositesforboneregeneration[J].Biomac-romolecules,2020,21(2):366-375.

[75] GEQ,QIHJ,DUNN M L.Activematerialsbyfour-dimensionprinting[J].AppliedPhysicsLetters,2013,103(13):131901.

[76] GEQ,DUNNCK,QIHJ,etal.Activeorigamiby4Dprinting[J].SmartMaterialsandStructures,2014,23(9):094007.

[77] DINGZ,YUANC,PENGX,etal.Direct4Dprintingviaactivecompositematerials[J].ScienceAdvances,2017,3(4):1602890.

[78] 李允,史礼君,豆波,等.电致变形聚合物质料及其应用[J].高分子转达,2020(6):1-15.

LIY,SHILJ,DOU B,etal.Electro-inducedshape-changingpolymermaterialsanditsapplications[J].ChinesePolymerBul-letin,2020(6):1-15.

[79] LIJ,LONG Y,YANG F,etal.Multifunctionalartificialarteryfromdirect3Dprintingwithbuilt-inferroelectricityandtissue-matchingmodulusforreal-timesensingandocclusionmonitoring[J].AdvancedFunctionalMaterials,2020,30(39):2002868.

[80] BODKHES,TURCOTG,GOSSELINFP,etal.One-stepsol-ventevaporation-assisted 3D printing of piezoelectric PVDFnanocompositestructures[J].ACS Applied Materials & Inter-faces,2017,9(24):20833-20842.

[81] KIM H,MANRIQUEZLCD,ISLAM M T,etal.3Dprintingofpolyvinylidenefluoride/photopolymerresinblendsforpiezoe-lectricpressuresensingapplicationusingthestereolithographytechnique[J].MRSCommunications,2019,9(3):1115-1123.

[82] KIM H,FERNANDOT,LIM,etal.Fabricationandcharacter-izationof3DprintedBaTiO3/PVDFnanocomposites[J].Journal ofCompositeMaterials,2018,52(2):197-206.

[83] ZHOU F,ZHANG M,CAO X,etal.Fabricationandmodelingofdielectricelastomersoftactuatorwith3Dprintedthermoplas-ticframe[J].SensorsandActuatorsA,2019,292:112-120.

[84] HAND,FARINOC,YANGC,etal.Softroboticmanipulationandlocomotion witha3D printedelectroactivehydrogel[J].ACS Applied Materials & Interfaces,2018,10(21):17512-17518.

[85] ZHANGF,WANGL,ZHENGZ,etal.Magneticprogrammingof4Dprintedshapememorycompositestructures[J].Compos-ites:PartA,2019,125:105571.

[86] KIM Y,YUK H,ZHAO R,etal.Printingferromagneticdo-mainsforuntetheredfast-transformingsoftmaterials [J].Na-ture,2018,558(7709):274-279.

[87] WU H,ZHANGX,MAZ,etal.Amaterialcombinationconcepttorealize4D printedproducts withnewlyemergingproperty/ functionality[J].AdvancedScience,2020,7(9):1903208.

[88] BASTOLA A K,PAUDEL M,LIL.Developmentofhybridmagnetorheologicalelastomersby3D printing [J].Polymer,2018,149:213-228.

[89] JACKSONJ A,MESSNER M C,DUDUKOVIC N A,etal.Fieldresponsive mechanical metamaterials[J].Science Ad-vances,2018,4(12):6419.

[90] 张纪雯,白永康,陈鑫.光致形状影象聚合物的研究希望[J].中国科学:手艺科学,2020,50(12):1546-1562.

ZHANGJ W,BAIY K,CHEN X.Developmentoflight-in-ducedshapememorypolymers[J].ScientiaSinicaTechnologica,2020,50(12):1546-1562.

[91] YANG H,LEOW W R,WANG T,etal.3Dprintedphotore-sponsivedevicesbasedonshape memorycomposites[J].Ad-vancedMaterials,2017,29(33):1701627.

[92] JEONG H Y,WOOB H,KIM N,etal.Multicolor4Dprintingofshape-memorypolymersforlight-inducedselectiveheatingand remoteactuation[J].ScientificReports,2020,10(1):6258.

[93] HAGAMANDE,LEISTS,ZHOUJ,etal.Photoactivatedpol-ymericbilayeractuatorsfabricatedvia3Dprinting[J].ACSAp- pliedMaterials&Interfaces,2018,10(32):27308-27315.

[94] CEAMANOSL,KAHVECIZ,L?PEZ-VALDEOLIVAS M,etal.Four-dimensionalprintedliquidcrystallineelastomeractua-torswithfastphotoinduced mechanicalresponsetowardlight-drivenroboticfunctions[J].ACS Applied Materials & Inter-faces,2020,12(39):44195-44204.

[95] KABBCP,O’BRYAN CS,DENG CC,etal.Photoreversiblecovalenthydrogelsforsoft-matteradditive manufacturing[J]. ACSAppliedMaterials&Interfaces,2018,10(19):16793-16801.

[96] TIBBITSS.4Dprinting:multi-materialshapechange[J].Ar-chitecturalDesign,2014,84(1):116-121.

[97] RAVIVD,ZHAO W,MCKNELLYC,etal.Activeprintedma-terialsforcomplexself-evolvingdeformations[J].ScientificRe-ports,2014,4:7422.

[98] DUTTAS,COHND.TemperatureandpHresponsive3Dprin-tedscaffolds[J].JournalofMaterialsChemistryB,2017,5(48):9514-9521.

[99] HUANGB,HU R,XUE Z,etal.Continuousliquidinterfaceproductionofalginate/polyacrylamidehydrogelswithsupramo-lecularshape memoryproperties[J].CarbohydratePolymers,2020,231:115736.

[100] HER,LIU W,WUZ,etal.Fabricationofcomplex-shapedzir-conia ceramic parts via a DLP-stereolithography-based 3D

printingmethod[J].CeramicsInternational,2018,44(3):3412-3416.

[101] SHAO H,ZHAO D,LIN T,etal.3Dgel-printingofzirconiaceramicparts[J].CeramicsInternational,2017,43(16):13938-13942.

[102] EBERTJ,?ZKOLE,ZEICHNER A,etal.Directinkjetprint-ingofdentalprosthesesmadeofzirconia[J].Journalofdentalresearch,2009,88(7):673-676.

[103] WANG W,YU H,LIU Y,etal.Truenessanalysisofzirconia crownsfabricatedwith3-dimensionalprinting[J].TheJournal ofProstheticDentistry,2019,121(2):285-291.

[104] TRAVITZKY N,BONET A,DERMEIK B,etal.Additivemanufacturingofceramic-basedmaterials[J].AdvancedEngi-neeringMaterials,2014,16(6):729-754.

[105] GUREEV D,RUZHECHKO R,SHISHKOVSKIII.SelectivelasersinteringofPZTceramicpowders[J].TechnicalPhysicsLetters,2000,26(3):262-264.

[106] MACEDOZ,LENTE M,EIRASJ,etal.Dielectricandferroe-lectricpropertiesofBi 4Ti 3O12ceramicsproducedbyalasersin-teringmethod[J].JournalofPhysics,2004,16(16):2811.

[107] QIF,CHEN N,WANG Q.Dielectricandpiezoelectricproper-tiesinselectivelasersinteredpolyamide11/BaTiO3/CNTterna-rynanocomposites[J].Materials& Design,2018,143:72-80.

[108] CASTLESF,ISAKOV D,LUIA,etal.Microwavedielectric characterisationof3D-printedBaTiO3/ABSpolymercomposites [J].ScientificReports,2016,6(1):22714.

[109] KIM H,JOHNSONJ,CHAVEZLA,etal.Enhanceddielectric propertiesofthreephasedielectric MWCNTs/BaTiO3/PVDF

nanocompositesforenergystorageusingfuseddepositionmod-eling3D printing[J].CeramicsInternational,2018,44(8):9037-9044.

[110] BODKHES,NOONANC,GOSSELINFP,etal.Coextrusionofmultifunctionalsmartsensors[J].Advanced EngineeringMaterials,2018,20(10):1800206.

[111] LIU G,ZHAO Y,WU G,etal.Origamiand4D printingofelastomer-derivedceramicstructures[J].Science Advances,2018,4(8):0641.

[112] LIY Y,LIL T,LIB.Directink writingof3-3piezoelectriccomposite[J].JournalofAlloysandCompounds,2015,620:125-128.

[113] LIMJ,JUNG H,BAEKC,etal.All-inkjet-printedflexiblepie-zoelectricgenerator madeofsolventevaporationassisted Ba-

TiO3hybridmaterial[J].NanoEnergy,2017,41:337-343.

[114] CHEN W,WANGF,YANK,etal.Micro-stereolithographyofKNN-basedlead-freepiezoceramics[J].CeramicsInternation-al,2019,45(4):4880-4885.

收稿日期:2020-11-29;修订日期:2022-03-14

通讯作者:周燕(1987—),女,副教授,博士,研究偏向为增材制造,联系地点:湖北省武汉市中国地质大学(武 汉)工 程 学 院(430074),E-mail:zhouyan@cug.edu.cn

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