4D打印技术是增材制造技术的重要分支。目前广泛认为：4D打印是增材制造构件的形状、性能或者功能在外界环境的刺激下随时间或空间发生可控变化的技术。相比于构件形状的变化，性能和功能的变化更能促进4D打印从实验室中的现象演示走向工程中的实践应用，具有十分重要的意义。然而，目前大部分关于4D打印的研究仅仅关注构件形状的变化，针对性能、功能的变化鲜有报道。鉴于此，华中科技大学史玉升教授团队应用材料组合的思想，将增材制造的磁电材料相组合，制备出的柔性磁电器件在外界压力的作用下产生了可控变化的压电性能，并具备了压力感知的功能，由此实现了4D打印的变性能、变功能。1. 应用材料组合的思想实现了柔性磁电器件的4D打印，为4D打印研究提供了新的研究思路和方法与以往在增材制造工艺中应用智能材料以实现4D打印的方式不同的是，他们采用了一种全新的磁电材料组合的思想，将增材制造的磁性多孔结构和导电性的螺旋结构相组合，得到4D打印成形的柔性磁电器件，制备流程如图1所示。磁性多孔结构采用NdFeB/TPU复合粉末的激光选区烧结（SLS）工艺成形，多孔结构通过SLS成形后的充磁过程获得永磁性；螺旋结构连同两端的平行板采用316 L不锈钢粉末的激光选区熔化（SLM）工艺成形。多孔结构由于具有永磁性而能产生磁场，导电性的螺旋结构（相当于导电线圈）处在该磁场中。在磁电器件压缩/回复的循环过程中，穿过线圈的磁通量发生变化，根据法拉第电磁感应定律可知在两块平行板之间会产生电压（原理示意图如图2所示，电压曲线图如图3所示）。所以，增材制造构件产生了压电性能和感知外界压力的功能，而这种性能和功能是磁性多孔结构和导电结构原本均不具备的，因此，增材制造构件的性能和功能均发生了变化，从而使变性能、变功能的4D打印得以实现。
图2 4D打印成形柔性磁电器件压电效应原理示意图
图3 4D打印成形柔性磁电器件在外力作用下产生的电压曲线图 (a) 磁粉含量为40 wt%、压缩速率为50 mm/s、磁电器件压缩的应变为20%时，器件在压力作用下产生的电压；（b）一个周期内压缩过程产生的电压；（c）一个周期内回复过程产生的电压2. 实现了4D打印的柔性磁电器件压电性能的可控变化，为4D打印的磁电器件的性能优化提供了依据他们研究了柔性磁电器件不同的参数对压电性能变化的影响规律（如图4所示），结果表明4D打印的柔性磁电器件压电性能变化是可控的。参数主要包括柔性磁电器件的材料、结构参数（磁性粉末的含量、多孔结构和螺旋结构之间的距离）和压力的参数（压缩的速率和应变）。
图4 不同参数对4D打印的柔性磁电器件压电性能变化的影响规律 (a) (c) 磁性粉末的含量；(b) (d) 多孔结构和螺旋结构之间的距离；(e) (g) 压缩时间；(f)(h) 压缩应变3. 建立了针对离散磁性粉末形成磁场的有限元模型，为4D打印柔性磁电器件压电性能的仿真模拟奠定了基础全新的柔性聚合物/离散磁粉复合材料体系为磁场分布的仿真模拟提出了新的挑战，为此，他们将磁性聚合物复合材料等效为单一同质磁性材料，建立了对应的有限元模型，基于此模型，计算了磁感应强度及其分布、磁通量的变化和产生的电压值（如图5所示），模拟仿真结果和实验结果高度吻合。图5 磁性多孔结构的磁场方向为水平和竖直以及器件压缩前后的磁场分布及磁通量的仿真计算结果
他们还对该4D打印柔性磁电器件进行了细致的宏微观结构表征；研究了器件的高度对压电性能变化的影响规律；证实了所建立的有限元模型的有效性与仿真模拟的准确性。该研究最大的意义在于4D打印智能构件可通过材料组合来实现，丰富了变形、变性能、变功能的4D打印研究思路，也为磁电器件提供了新的材料/结构设计思想和制造方法。该成果以“A material combination concept to realize 4D printedproducts with newly-emerging property/functionality”为题发表在《Advanced Science》上，并入选封面文章。其中，博士生伍宏志为第一作者，由史玉升教授、闫春泽教授、苏彬教授共同指导。
论文连接：https://doi.org/10.1002/advs.201903208
来源：高分子科学前沿
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