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多向纺织结构,如三向机织物、多角度铺层、三维角联锁、三维正交、三维编织等,是制备轻质高强复合材料的常用结构,具有结构整体性好、优异力学性能、良好的损伤容限等优点。但传统多向纺织结构预成型体加工工艺复杂、耗时费力,有必要探索新的加工方式。增材制造(Additive manufacturing),也称3D(Three dimensional)打印,具有快速制造、精准成型等特点,可为多向纺织结构预成型体的加工提供新思路。将3D打印技术和刺激响应材料(例如形状记忆聚合物,SMP)相结合,便促成一个新研究分支-4D(four dimensional)打印,可用于快速制备智能复合材料。试件制备、结构优化和性能表征及提升等基础研究是研发4D打印纺织结构功能复合材料的重要前提,但目前相关研究较少。本文采用4D打印形状记忆聚乳酸(PLA)制备折纸结构、铺层结构、编织结构预成型体,通过μ-CT断层扫描成像、回复行为表征和热力学表征,研究回复温度、结构参数对形状回复行为和回复力的影响规律。针对热塑性SMP回复性能差的缺点,提出三种材料复合增强策略,即碳纳米管(CNT)填充PLA、硅树脂填充预成型体、弹簧钢片(SSS)与SMP预成型体层叠复合,研究相关形状回复性能。为快速制备电激活驱动器,采用4D打印CNT/PLA制备铺层结构预成型体,通过电学表征、红外热成像和回复性能表征,系统研究打印结构参数、电学性能、焦耳热升温和温度分布、电激活回复行为之间的关系。研究发现:(1)Miura折纸试样具有大变形可回复能力,且在形状回复过程中伴随较大的体积变化。回复温度越高,试样形状回复所用时间越短,最终回复率越大。铺层结构预成型体以90°、±45°、90°/0°角度顺序回复时间依次增加,回复力依次增大。打印填充率增加,铺层试样回复总时间增加,回复力增加。基于多填充率设计的“锁”驱动器,可实现序列“解锁”变形过程。编织结构预成型体的编织角越大,纱线体积分数越大,编织预成型体回复时间越长、回复力越大。(2)μ-CT成像三维重构模型显示,4D打印铺层结构和编织结构预成型体内部结构规整,与模型保真度较高。与纯PLA预成型体相比,CNT/PLA预成型体回复起点早,但最终回复率降低,由于CNT在基体中错位滑移所致。硅树脂灌注预成型体后可提高最终回复率,因为硅树脂弹性应变能释放促进预成型体的形状回复。CNT和硅树脂的加入,均使预成型体回复力明显增加,其中CNT/PLA铺层预成型体/硅树脂复合材料回复力最大。常温弯曲测试中,PLA铺层预成型体弯曲失效位移大,表现出良好的弯曲韧性;PLA编织预成型体纱线不同时断裂,表现出良好的断裂损伤容限;CNT和硅树脂的加入均有助于增强试样弯曲承力能力。(3)与纯SMP试样相比,SSS/SMP层叠复合试样回复时间缩短39%,回复力可提高198倍。在复合试样形状记忆循环中,SMP起形状记忆作用并帮助SSS存储弹性应变能;而SSS弹性应变能释放时,促进SMP快速回复至初始形状,同时提高回复力。通过研究结构参数对试样回复性能影响发现,SMP填充率较小、SSS厚度较大时,复合试样回复时间较短;SSS装配在SMP之上、SSS厚度较大时,复合试样回复力较大。(4)CNT/PLA铺层试样体积电阻率按照0°、45°和90°顺序依次增大,且温度从25°C升高到90°C时,三种角度试样体积电阻率都呈先增大后减小趋势。打印结构参数对试样焦耳热升温和电激活回复行为有显著影响。发现打印速度越小、打印层厚越大、打印角度越小的试样电阻越小,升高到某一温度所用时间越短,电激活回复时间越短。0°试样表面温度分布差异较大,0°/90°试样表面温度分布较均匀,所以0°/90°试样回复到初始形状比0°试样快。通过序列控制电压施加位置,可实现“三爪”依次被激活回复而互不影响。本文系统研究了4D打印折纸结构、铺层结构和编织结构预成型体及其复合材料形状记忆性能,揭示了回复温度、结构参数和材料复合增强对热激活形状记忆性能的影响规律,阐明了结构参数、电学性能、焦耳热升温、电激活回复行为之间的关系,为快速制备多种刺激激活、高回复性能的纺织结构功能复合材料驱动器奠定基础。