[发明专利]光响应纳米复合材料、制备方法以及微纳4D打印方法

说明书

本发明提供了一种光响应纳米复合材料、制备方法以及微纳4D打印方法，属于4D打印技术领域，其为有机前驱体、引发剂、交联剂、光敏剂、吸光材料溶剂混合获得的分散液，各组分的质量比依次为：(0.8～1.25):(0.022～0.066):(0.9～2):(0.6～1.2):1，吸光材料溶剂是纳米级别的吸光材料均匀分散在溶剂中形成的，其在吸光材料溶剂中的质量比为0.1％～5％。本发明提供了光响应纳米复合材料的制备方法和采用上述光响应纳米复合材料进行微纳4D打印的方法。本发明材料有效提升了光刺激下微纳智能结构的响应速度和执行速度，并提升了微纳智能结构形变结构的设计自由度，能实现高效率微纳4D打印。

技术领域

本发明属于4D打印技术领域，更具体地，涉及一种光响应纳米复合材料、制备方法以及微纳4D打印方法。

背景技术

4D打印是指在3D打印的基础上结合外界激励让所打印的结构能够产生相应形态转换功能的一种先进制造方式。通过4D打印制造出的具有外界刺激响应性(例如pH，温度，磁，声，光)的三维微纳智能结构器件拥有快速、可逆的形状转换能力，高刺激响应灵敏度以及无需额外驱动能源等优势，在人类仿生学，药物输送，组织工程，人工肌肉，纳米马达、微纳传感技术、超材料等新兴领域具有广阔的应用前景。

随着智能化时代的不断进步，各行业界对微纳4D打印也提出了更高，更快，更智能化的要求，但是，现阶段因为缺乏合适的智能材料和有效的成形方法，人们还难以实现微纳智能结构器件在光刺激下的智能响应，以及对微结构在时域-空域-频域上的多维度协同控制。

目前，微纳4D打印的材料体系仍然以智能水凝胶材料为主，因为它具有强大的吸水，解吸能力，生物相容性高，易于合成和改性，可自主实现可逆变换等优势。但是，作为软材料，其较低的机械模量、弹性和韧性，以及缓慢的响应速度严重限制了微型执行器的结构刚度和执行效率，难以实现无接触、高精度、高频率调控。尽管提升水凝胶在打印成形过程中的交联密度可以提高其机械模量，但是较大的交联密度会降低智能材料的响应性能，机械模量和智能材料的响应灵敏度之间的矛盾限制了微执行器功能的进一步优化。

超快激光直写技术作为一种成形方法能显著提高现有的三维微纳结构制造能力，已成为未来实现三维微纳智能结构器件的一个重要制造手段。目前，利用超快激光直写4D打印微纳致动器主要有三类设计方法，一类是双/多材料体系下分步进行沉积粘接的方法，例如，期刊文献《Femtosecond laser programmed artificial musculoskeletalsystems》(Nature Communications,2020)中提出了一种双材料微纳加工方法，异质集成了两种具有不同溶胀特性的材料，从而实现了一个微纳肌肉骨骼系统。虽然这种方法有着较大的致动范围和优秀的自支撑机械强度，然而，由于材料的物化性质差异导致双/多层材料界面粘接性能较差，并且其分步直写方式对成形过程中的对准精度要求较高，制造工艺复杂。第二类方法是在单材料体系下改变激光直写的工艺参数，例如，公开号为CN108481734A中国专利申请提出了一种利用调节激光功率以及扫描速度的打印方式来调节聚合物材料的局部交联密度，实现了可重构复合微机械的微纳4D打印；第三类方法是在单材料体系下改变结构的体素间距，期刊文献《Dual-3DFemtosecond Laser Nanofabrication EnablesDynamic Actuation》(ACS NANO,2019)提出了一种通过对结构体素的大小和分布进行编程的方法，实现了微纳三维结构复杂的弯曲，卷曲等形状转换。

目前，利用单材料制造智能微纳执行器已成为业界公认的有效策略，但是以上两种方法都需要在直写印刷过程中进行额外的结构体素以及打印工艺参数的编程处理等流程，这对于复杂的三维微结构设计和高效制造均带来了极大的挑战。同时，改变超快激光直写过程中的工艺参数包括激光加工参数和结构切片，均会导致结构在成形过程中的分辨率缺失从而引起结构的失真。