随着科技的不断发展，人们对材料的性能要求越来越高，单一功能材料已无法满足复杂的应用需求。形状记忆聚合物 (SMP) 作为一种智能材料，能够在受到外部刺激后发生形状变化，并在去除刺激后恢复原状，在航空航天、生物医疗、软体机器人等领域具有广阔的应用前景。然而，传统的 SMP 需要加热才能恢复形状，限制了其在某些场合的应用。近年来，研究者们将磁性颗粒引入 SMP 中，制备出磁控形状记忆聚合物 (M-SMP)，能够在磁场作用下发生形状变化，克服了传统 SMP 的局限性。然而，目前报道的 M-SMP 主要采用铁氧体软磁材料作为磁性颗粒，其磁性较弱，限制了 M-SMP 的应用范围。
近日，《Composites Part A》期刊发表了一篇由大连理工大学机械工程学院、材料科学与工程学院和中国科学院福建物质结构研究所、安泰科技、钢铁研究总院、盐城工学院汽车工程学院的研究团队完成的有关4D 打印制备兼具形状记忆和磁控变形功能的 Nd-Fe-B 复合材料的研究成果。该研究制备了 Nd-Fe-B 磁粉/PLA/TPU 复合纤维，并利用 FDM 3D 打印技术制备了兼具形状记忆和磁控变形功能的复合材料结构。该研究具有重要的意义，为开发高性能、多功能复合材料提供了新的思路。论文标题为“4D printing of Nd-Fe-B composites with both shape memory and permanent magnet excitation deformation”。
该研究确定了PLA和TPU的最佳混合比例（80:20），将不同质量比（0%、10%、20%、30%、40%）的Nd-Fe-B磁粉与PLA/TPU基体材料混合，通过熔融挤出工艺制备出复合丝材，并进行干燥处理。
使用 FDM 3D 打印机打印出不同形状的样品，包括圆柱形样品、拉伸样品、花瓣状结构、空心球结构以及六爪和四爪磁控智能抓手，以评估复合材料的打印精度、力学性能和形状记忆行为。
图 1. 复合纤维和 3D 打印拉伸样品的制备过程。
图 2. 矩形样条样品及其形状记忆编程过程示意图：(a) M-SMP 在微观尺度上的形状记忆编程过程原理示意图；(b) 打印矩形样条的形状记忆编程过程示意图。
通过热刺激和“热-磁”耦合刺激两种方式，研究了复合材料的形状记忆恢复行为，并利用永磁铁进行了磁控变形实验，验证了复合材料在磁控智能结构中的应用潜力。
图 3. 不同复合纤维打印试样的拉伸和压缩测试结果：(a) 打印拉伸试样；(b) 拉伸应力-应变曲线；(c) 拉伸强度和杨氏模量的比较；(d) 压缩应力-应变曲线；(e) 压缩模量和压缩强度的比较。
研究团队成功制备出满足 FDM 3D 打印要求的 PLA/TPU/Nd-Fe-B 复合丝材，并证实了 Nd-Fe-B 磁粉的加入可提高打印材料的磁性能，为 3D 打印制备稀土永磁体提供了可行性。
图 4 不同比例 Nd-Fe-B 磁性颗粒的复合纤维的磁滞回线。
此外，该复合材料具有良好的力学性能和形状记忆功能，且 Nd-Fe-B 磁粉的加入可加速形状记忆恢复过程，但过高的含量会降低形状恢复率。
在“热-磁”耦合刺激下，花瓣状结构和空心球结构可以完全恢复初始形状，表明该复合材料具有非接触刺激响应能力。磁控智能抓手在永磁铁的刺激下表现出良好的抓取和释放功能，展示了其在智能机器人领域的应用潜力。
图 5 花瓣状结构在“热-磁”耦合刺激下的形状记忆实验：(a) 3D 模型的基本信息和组装过程；(b) 3D 打印和形状编辑；(c) “热-磁”耦合原理装置示意图；(d) 不同花瓣的形状记忆恢复和编辑过程，由数码相机和红外热像仪捕捉。
图6 空心球结构的实验过程：(a) 3D 模型的基本信息和免支撑打印；(b) 免支撑打印部件的形状记忆恢复编辑过程，由数码相机和红外热像仪捕捉；(c) 结构单元尺寸优化后的支撑结构打印和压缩实验；(d) 支撑打印部件的形状记忆恢复编辑过程，由数码相机和红外热像仪捕捉；(e) 所提出的 4D 结构的应用。
图 7 外部永磁体产生的磁场刺激下，3D 打印的弧形磁控智能抓取器的实验**：(a) 六爪和四爪磁控智能抓取器的设计、磁化和动作执行示意图；(b) 外部圆柱形 Nd-Fe-B 永磁体靠近和远离时，六爪磁控智能抓取器的变形过程；(c) 四爪磁控智能抓取器 (P/T/RE-30 复合纤维) “抓取-释放”乒乓球 (φ = 40 mm) 的原理图；(d) 四爪磁控智能抓取器的实际“抓取-释放”乒乓球过程。
该研究成功制备了 Nd-Fe-B 磁粉/PLA/TPU 复合材料，并验证了其在形状记忆和磁控智能抓取方面的应用潜力。该研究为开发高性能、多功能复合材料提供了新的思路，在航空航天、生物医疗、软体机器人等领域具有广阔的应用前景。
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