聚酰亞胺(polyimide, PI)是20世紀(jì)50年代美國和前蘇聯(lián)“太空競賽”時為滿足航空、航天對耐熱、輕質(zhì)、高強(qiáng)材料的需要而研制的,目前已廣泛應(yīng)用于航空航天、信息通訊、光電器件、高集成微電子等行業(yè)。形狀記憶聚酰亞胺(shape memory polyimide, SMPI)將聚酰亞胺的優(yōu)異性能和形狀記憶效應(yīng)有機(jī)結(jié)合,不同狀態(tài)下可呈現(xiàn)不同形狀,在高溫驅(qū)動器、空間可展開結(jié)構(gòu)、智能發(fā)動機(jī)等領(lǐng)域有廣闊應(yīng)用前景。
當(dāng)前SMPI主要通過直接加熱的方式實現(xiàn)形狀記憶驅(qū)動,而在微電子、航空航天等應(yīng)用中,直接加熱較為不便或難以實現(xiàn)。因此,便捷可靠的遠(yuǎn)程驅(qū)動對SMPI具有重要意義。電驅(qū)動是形狀記憶聚合物常用的遠(yuǎn)程驅(qū)動方法,但已知電驅(qū)動形狀記憶聚合物多為中低溫材料,其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)通常低于200 oC。哈爾濱工業(yè)大學(xué)肖鑫禮課題組與北京市射線應(yīng)用研究中心王連才研究員合作,采用研磨碳纖維增強(qiáng)的方式在國際上首次研制出Tg 為302 oC的電驅(qū)動形狀記憶聚酰亞胺(Electro-active SMPI, EASMPI),在15.9 V電壓下即可實現(xiàn)形狀的遠(yuǎn)程驅(qū)動,其過程如圖1所示。從其溫度分布圖中可以看出,此時EASMPI的溫度超過330 oC。
圖1. EASMPI 在15.9 V電壓下的驅(qū)動過程。(a) 2 秒, (b) 51 秒, (c) 53 秒, (d) 66 秒, 及(e) 溫度分布圖
回復(fù)應(yīng)力是形狀記憶材料在受限回復(fù)時產(chǎn)生的應(yīng)力,其大小是決定實際應(yīng)用的重要指標(biāo)。與目前廣泛應(yīng)用的形狀記憶合金相比,較小的回復(fù)應(yīng)力是限制形狀記憶聚合物實際應(yīng)用的一個主要原因。文獻(xiàn)報道的形狀記憶聚合物回復(fù)應(yīng)力通常在4~10 MPa,而 EASMPI由于研磨碳纖維的增強(qiáng)作用,其回復(fù)應(yīng)力可達(dá) 40.1 MPa。高回復(fù)力使EASMPI在322 oC形狀回復(fù)時可推動為其自身重量30多倍的不銹鋼金屬板,如圖2所示。
圖2. EASMPI的高回復(fù)力。回復(fù)應(yīng)力 (a),0.1216 g EASMPI 形狀回復(fù)推動 3.8678 g 不銹鋼金屬板過程中第15秒 (b), 33秒 (c), 36秒 (d) 和38 秒 (e).
EASMPI的遠(yuǎn)程電驅(qū)動、高回復(fù)力、耐高低溫、耐射線輻照等特性使其適合作為太空、核電站、大功率發(fā)動機(jī)等嚴(yán)酷環(huán)境下的智能材料。
文章鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/macp.201900164
Xiaofeng Li, Liancai Wang, Ziyan Zhang, Deyan Kong, Xinling Ao, and Xinli Xiao*. Electroactive High-Temperature Shape Memory Polymers with High Recovery Stress Induced by Ground Carbon Fibers. Macromol. Chem. Phys. 2019, 220(17):1900164.
- 哈工大冷勁松院士團(tuán)隊 CEJ:用于智能熱防護(hù)系統(tǒng)的具有可調(diào)隔熱性能的自感知形狀記憶硼酚醛氣凝膠 2025-01-18
- 南京醫(yī)科大學(xué)胡本慧團(tuán)隊 Adv. Sci.:體驅(qū)緩塑 - 低電壓刺激延緩心臟重構(gòu)進(jìn)程的外周神經(jīng)電極 2024-12-17
- 清華大學(xué)徐軍課題組 Macromolecules:非均勻交聯(lián)構(gòu)建高剛度、高韌性的形狀記憶自愈合材料 2024-12-01
- 華南理工大學(xué)陶勁松 CEJ: 性能類似芳綸紙的纖維素/PI高強(qiáng)耐熱絕緣紙 2025-03-06
- 江西理工大學(xué)張思釗課題組 AFM:耐極端環(huán)境聚酰亞胺氣凝膠 2025-02-28
- 廣工閔永剛/黃錦濤團(tuán)隊 ACHM:用于集成熱管理和電磁波吸收的高性能聚酰亞胺/聚吡咯-碳納米管@PCM復(fù)合材料 2025-01-10