用于形状记忆功能泡沫体积增材制造的热膨胀树脂开发及其应用研究

　　本刊推荐：本文创新性地开发了一种适用于层析体积增材制造（TVAM）的热膨胀发泡树脂，突破了传统TVAM打印尺寸限制（可实现500%体积膨胀率，密度低至0.16 g cm?3）。该材料兼具形状记忆特性（SMP）和力学性能可调控性，通过热激活（200°C）发泡和浸水-干燥后处理，可实现从刚性泡沫（压缩模量8.5 MPa）到柔性泡沫（0.15 MPa）的智能转换，为快速制造轻量化、可重构功能器件（如热驱动夹持装置）提供了新范式。

　　

引言

层析体积增材制造（Tomographic Volumetric Additive Manufacturing, TVAM）作为新兴快速三维打印技术，通过将二维图像投影至旋转树脂容器实现秒级整体成型，突破了传统逐层打印的效率瓶颈。然而TVAM发展面临两大核心挑战：打印尺寸受限于树脂容器尺寸（当前最大直径约12.5 mm），以及现有材料体系密度较高（约1 g cm^?3）。针对这些限制，本研究开发了具有热引发膨胀特性的发泡树脂，不仅实现了打印后尺寸超越构建体积的限制，更创造了兼具形状记忆功能和力学性能可调控的多功能泡沫材料。

材料设计与特性

研究团队通过系统筛选，最终确定以聚乙二醇二甲基丙烯酸酯（PEGDMA）为交联剂（CL）、丙烯酸（AA）为单体、聚环氧乙烷（PEO）为流变改性剂（RM）、二叔丁基二碳酸酯（Boc₂O）为发泡剂（BA）的树脂体系。该配方具有关键优势：光学透明度满足TVAM要求（450 nm波长吸收系数0.27 cm^?1），高粘度（45,000 mPa·s）有效防止打印过程中部分聚合结构的沉降，且长链PEGDMA交联剂在保证结构稳定性的同时避免过度交联抑制发泡。

发泡机制与性能表征

热膨胀过程在200°C环境下触发，Boc₂O分解产生CO₂、异丁烯和叔丁醇气体，形成内部孔隙结构。扫描电镜（SEM）显示发泡后材料形成尺寸＜100 μm的均匀孔隙，体积膨胀率达500%，表观密度降至0.16 g cm^?3。力学测试表明：原始打印态压缩模量为28 MPa，发泡后保持8.5 MPa，而经过浸水-干燥后处理得到的收缩态材料模量显著降低至0.15 MPa。傅里叶变换红外光谱（FTIR）证实这种软化现象源于聚丙烯酸在150°C以上形成的酸酐交联结构被水解破坏。

形状记忆功能与应用演示

发泡材料展现出色的形状记忆特性（SMP），其玻璃化转变温度（T_g）经动态力学分析（DMA）测定为44.3°C。通过80°C热激活可实现形状编程与恢复：材料在升温后软化变形，冷却固定临时形状，再次加热即恢复初始形态。基于此特性，研究团队成功研制热驱动夹持装置——将开孔状态的夹持器加热后自动闭合，可牢固抓取物体并在冷却后维持抓取状态。这为无外部驱动器的智能器件设计提供了新思路。

工艺创新与多态转换

除热发泡外，材料还具备水响应特性：发泡结构经水浸处理后孔隙坍塌，体积收缩至原始打印态的170%（密度0.5 g cm^?3），同时材料从刚性转变为室温下可弯曲的柔性状态。这种多态转换特性使同一打印结构可通过不同后处理获得刚性泡沫或柔性泡沫，极大拓展了应用潜力。

结论与展望

本研究首次实现了TVAM技术与发泡材料的结合，创造了具有形状记忆和力学可调性的功能泡沫体系。该材料突破TVAM构建体积限制，使打印结构尺寸超越树脂容器成为可能，同时通过简单后处理即可获得从刚性到柔性的性能梯度变化。这项技术为快速制造轻量化、可重构智能结构（如医疗器件、软体机器人、可编程 metamaterial）开辟了新途径，显著提升了TVAM在功能器件制造领域的应用价值。