近年来，在载人航天、探月工程、火星探测等国家重大工程需求牵引下，空间可展开结构技术取得了长足发展。其中，连续纤维增强形状记忆复合材料4D打印技术可实现复杂结构部件在时空维度形状及性能可控变化，成为近年来兴起的一项极具应用前景的新技术。然而，传统连续纤维增强形状记忆复合材料存在显著各向异性，导致材料在沿纤维横向和厚度方向的导热性能和机械性能较差，严重影响了智能复合材料的响应速率及实际工程应用。特别是面对极端服役环境，在有限质量的情况下实现优异力学承载与快速响应形状重构等多功能融合的复杂结构一体化成型制造仍然充满挑战。

针对上述问题，西安交通大学段玉岗教授团队提出了一种多尺度三维碳介质增强体结构，能够在复合材料内部实现多向导热及力学传递路径，从而大幅提高了复合材料形状记忆变形响应速率及力学承载能力。基于该三维增强体结构，团队提出了三维碳介质均质化增强热固性形状记忆复合材料4D打印制造方法，将微观介质（石墨烯）均匀分散至热固性形状记忆聚合物基体，之后与连续碳纤维丝束预浸制成均质打印丝束，再经过打印制造工艺可实现均质化的多尺度复杂复合材料结构成型制造，同时还能满足多种变刚度、变密度、超结构等新型复合材料结构制造需求，有效解决了传统智能复合材料制造结构单一、难以实现均质化高性能多尺度复杂复合材料结构制造等问题。

图1 GR-CCF/Ts-SMP复合材料打印制备过程

通过系统研究连续碳纤维与石墨烯对于热固性形状记忆聚合物协同强化作用机理。团队开发了适用于4D打印制造工艺的热固性形状记忆环氧树脂，其与碳纤维及石墨烯具有良好的相容性，可实现高填充浓度（石墨烯填充质量为1wt%、连续碳纤维填充质量分数为45%）三维碳介质增强热固性形状记忆复合材料的打印成型制造。材料表现出优异的力学承载、形状记忆及快速响应形状重构能力，弯曲强度可达676.99 MPa，形状固定率和形状恢复率分别为98.62%和99.07%，在近红外光激励下6s内可实现局部形状响应重构。该研究为高性能热固性形状记忆复合材料复杂结构的一体化成型制造提供了全新思路，对于推动形状记忆复合材料在大型空间可展开天线锁紧结构、柔性太阳帆支撑结构、智能机器人轻量化驱动结构等领域工程化应用具有重要意义。

图2 结构功能一体化GR-CCF/Ts-SMP复合材料构件

近日，相关研究成果以“4D Printing of 3D Carbon-Medium Reinforced Thermosetting Shape Memory Polymer Composites with Superior Load-Bearing and Fast-Response Shape Reconfiguration”为题发表在国际权威期刊《先进功能材料》（Advanced Functional Materials, IF=18.5）上。该项工作是团队在《材料今天化学》（Materials Today Chemistry 2023, 34, 101790）上发表关于连续纤维增强热固性复合材料4D打印研究工作之后的又一重要研究成果。

西安交通大学机械工程学院博士生王杰为论文第一作者，王奔副教授和段玉岗教授为论文共同通讯作者，西安交通大学为论文的唯一通讯单位。该研究得到国家自然科学基金、广东省重点研发项目、中央高校基本科研业务费等项目的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202409611

段玉岗课题组主页：https://gr.xjtu.edu.cn/en/web/ygduan