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哈工大冷勁松院士團隊 Small：從彈性到剛性可調(diào)節(jié)的、可自修復的形狀記憶雙馬來酰亞胺材料
2023-11-30  來源：高分子科技

  形狀記憶聚合物（SMPs）是一種能夠在外部激勵下主動變形的智能材料，具有變剛度、可編程和自我感知等特性，并且其行為類似于生命的智能反應，在許多領域具有潛在的應用價值。近日，哈爾濱工業(yè)大學冷勁松院士團隊在《Small》上發(fā)表了題為《A Tailorable Series of Elastomeric-To-Rigid, Selfhealale, Shape Memory Bismaleimide》的研究論文，博士生李悅嘉為第一作者，冷勁松院士和張風華副研究員為共同通訊作者。論文報道了一種熱固性雙馬來酰亞胺材料，該材料具有形狀記憶性能、彈性到剛性的可調(diào)節(jié)性能、自修復和再加工功能。


  作者開發(fā)了一種雙馬來酰亞胺形狀記憶材料，通過引入混合醚分子、二胺分子、二硫鍵，從而實現(xiàn)形狀記憶性能、彈性到剛性的可調(diào)節(jié)性能、熱固性材料的自修復和再加工功能。利用威廉姆遜反應，制備端基為烯鍵的混合醚分子，再通過該分子與雙馬反應時產(chǎn)生的空間位阻效應，將這些分子與馬來酰亞胺之間的反應限制在一次發(fā)生，得到具有形狀記憶效應的材料，材料的形狀固定率和回復率分別可達99.4%和95.8%。通過引入二元胺引發(fā)馬來酰亞胺基團二次反應，實現(xiàn)同系列材料506倍的靜態(tài)模量變化、66倍的動態(tài)模量變化、153℃的Tg變化（圖1）。將不同的材料組合在一起的結(jié)構(gòu)可以在不同溫度下分別進行變形的過程（圖2）。通過引入二硫鍵，實現(xiàn)熱固性材料的自修復、可重塑功能（圖3），具體地，它實現(xiàn)了93.2%的模量和90.1%的斷裂伸長率的愈合效率。本文設計研制的形狀記憶雙馬來酰亞胺材料為未來航天領域可展開結(jié)構(gòu)的回收再利用提供了可能（圖4）。 


圖1. SMPs的力學性能：（a）不同D400比利材料的DMA存儲模量-溫度曲線；（b）DMA Tanδ- SMPs的T曲線；（c）DPS1 - DPS5的拉伸應力-應變曲線；（d）模量、強度、斷裂伸長率數(shù)據(jù)（坐標軸標尺為指數(shù)）。 


圖2. 四種材料組成的結(jié)構(gòu)在四種溫度下依次經(jīng)歷形狀記憶循環(huán)的過程：（a）四種材料在室溫下組成的臨時結(jié)構(gòu)；（b）-（e）：分別在48℃、78℃、108℃、148℃四種溫度下變形后的結(jié)構(gòu)。（a）和（e）之間的照片顯示了主動變形的過程。從（e）到（a）是形狀固定的過程。 


圖3.（a）拉伸試樣截面自修復過程中二硫鍵的變化；（b）修復后的smp與原始smp的拉伸應力-應變曲線；（c）-（l）SMPs自修復過程顯微圖；（c）、（d）：自修復前后DPS5圖；（e）、（f）：自修復前后DPS4圖；（g）、（h）：DPS3自修復前后曲線圖；（i）、（j）：自修復前后DPS2圖；（k）、（l）：DPS1自修復前后的圖。 


圖4.（a）可重塑形狀記憶雙馬來酰亞胺空間站結(jié)構(gòu)應用示意圖、損壞后的回收過程、重塑后的形狀記憶過程；（b）、（c）DPS5重塑前后的照片；（d）DPS5重塑蝴蝶結(jié)結(jié)構(gòu)的變形過程。


  該項研究成果獲得了國家重點研發(fā)計劃的大力支持。


  冷勁松院士團隊長期從事于智能材料結(jié)構(gòu)及其應用研究。在航天領域，研制了基于形狀記憶聚合物復合材料的可展開鉸鏈、桁架、重力梯度桿、天線、太陽能電池、離軌帆、鎖緊釋放機構(gòu)等智能結(jié)構(gòu) (Chemical Engineering Journal, 2023, 457, 141282; Sci. China. Technol. Sc., 2020, 63, 1436–1451; Smart Mater. Struct., 2022, 31, 025021; Compos. Struct., 2022, 280, 114918; AIAA J., 2021, 59, 2200-2213; Compos. Struct., 2022, 290, 115513; Compos. Struct., 2020, 232, 111561; Compos. Struct., 2019, 223, 110936.)，可應用于各種衛(wèi)星平臺、空間站、探月工程、深空探測工程等。設計制備了構(gòu)型、力學性能可調(diào)節(jié)、可重構(gòu)的拉脹力學超材料和像素力學超材料 (Adv. Funct. Mater., 2020, 30, 2004226; Adv. Funct. Mater., 2022, 32, 2107795)。在生物領域，基于形狀記憶聚合物等智能材料開發(fā)了多種智能生物支架和人工假體 (Advanced Fiber Materials, 2023, 5, 632-649; Research, 2023, 6, 0234; Biomaterials, 2022, 291, 121886; ACS Appl. Mater. Interfaces, 2022, 14, 42568-42577; Compos. Sci. Technology, 2021, 203, 108563; Compos. Part A-Appl. S., 2019, 125, 105571; Adv. Funct. Mater., 2019, 29, 1906569)。冷勁松院士團隊自主設計并研制的基于形狀記憶聚合物的中國國旗鎖緊展開機構(gòu)，于2021年5月在天問一號上成功展開，使我國成為世界上首個將基于形狀記憶聚合物復合材料的智能結(jié)構(gòu)應用于深空探測工程的國家 (Smart Mater. Struct., 2022, 31, 115008. )。


  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202307244

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（責任編輯：xu）
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