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哈工大冷勁松院士團(tuán)隊(duì) AFM綜述：形狀記憶聚合物最新進(jìn)展 - 材料、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用
2023-12-27  來(lái)源：高分子科技

  形狀記憶聚合物（Shape Memory Polymer，簡(jiǎn)稱SMP）是指具有初始形狀的制品在特定條件下改變?yōu)榕R時(shí)形狀并固定后,通過(guò)外界條件刺激（如熱，電，磁，光等）可恢復(fù)為初始形狀的智能高分子材料。因其具有質(zhì)輕、變形大、易編程、彈性模量可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，SMP在過(guò)去三十年展現(xiàn)出了在航空航天、生物醫(yī)療、4D打印、柔性機(jī)器人等應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值。近日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)冷勁松院士團(tuán)隊(duì)在《Advanced Functional Materials》上發(fā)表了題為《Recent Advances in Shape Memory Polymers: Multifunctional Materials, Multiscale Structures and Applications》的綜述，博士生羅蘭為第一作者，冷勁松院士和張風(fēng)華副研究員為共同通訊作者。


  在綜述中，作者簡(jiǎn)要回顧了形狀記憶聚合物及其復(fù)合材料的研究進(jìn)展。重點(diǎn)介紹了多功能形狀記憶聚合物，包括自變形、自傳感、自修復(fù)以及自學(xué)習(xí)等特性。結(jié)合功能型增強(qiáng)體形成形狀記憶聚合物復(fù)合材料（SMPC），在微觀尺度上設(shè)計(jì)和控制材料的結(jié)構(gòu)和組織，從而實(shí)現(xiàn)更精確和可控的形狀記憶效果，擴(kuò)大材料的應(yīng)用潛力（圖1）。形狀記憶聚合物及其復(fù)合材料在機(jī)器人、智能服裝、智能紡織品、生物醫(yī)學(xué)設(shè)備和可穿戴技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛而迷人的應(yīng)用。因此，形狀記憶聚合物未來(lái)將在各個(gè)領(lǐng)域中均發(fā)揮著重要作用。 


圖1. 形狀記憶聚合物及其應(yīng)用


1.形狀記憶聚合物機(jī)理


  單向形狀記憶聚合物的形狀記憶機(jī)制是理解所有形狀記憶聚合物變形過(guò)程的基礎(chǔ)。以熱驅(qū)動(dòng)形狀記憶聚合物為例，材料中存在兩相，包括一個(gè)可隨溫度從玻璃態(tài)變?yōu)橄鹉z態(tài)的可逆相和一個(gè)保持初始形狀的固定相，材料表現(xiàn)出形狀記憶（圖2）。根據(jù)固定相的不同交聯(lián)方法，形狀記憶聚合物可分為兩類：熱固性和熱塑性。穩(wěn)定的聚合物網(wǎng)絡(luò)和可逆相是聚合物的兩個(gè)不同部分，穩(wěn)定的聚合物網(wǎng)絡(luò)由分子纏結(jié)、結(jié)晶相、化學(xué)交聯(lián)或互穿網(wǎng)絡(luò)形成，決定了聚合物的永久形狀，而可逆相由晶向非晶轉(zhuǎn)變、玻璃化轉(zhuǎn)變、各向異性/各向同性轉(zhuǎn)換、可逆化學(xué)交聯(lián)或超分子結(jié)構(gòu)締合/解離組成，起固定暫時(shí)形狀的作用。


圖2. 形狀記憶聚合物機(jī)理示意圖


2.多功能形狀記憶聚合物


  形狀記憶聚合物受到外界刺激時(shí)，可從臨時(shí)形狀恢復(fù)到原始形狀。因其自適應(yīng)性，可在各個(gè)應(yīng)用中提供靈活性和可定制性，實(shí)現(xiàn)可控的形狀調(diào)整。它們能夠周圍環(huán)境的變化，并產(chǎn)生相應(yīng)的反應(yīng)。例如，它們可以通過(guò)溫度、壓力和濕度等因素的變化來(lái)觸發(fā)形狀或功能的變化，從而在實(shí)際應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)智能化和響應(yīng)性。此外，自修復(fù)形狀記憶聚合物可以在材料損壞或磨損時(shí)自我修復(fù)，延長(zhǎng)其使用壽命并提高穩(wěn)定性。未來(lái)，形狀記憶聚合物逐漸向自主學(xué)習(xí)方向發(fā)展，為材料的優(yōu)化和進(jìn)一步創(chuàng)新提供了可能，推動(dòng)了智能材料領(lǐng)域的研究與發(fā)展（圖3）。


圖3. 形狀記憶材料的分類和介紹


3.多尺度結(jié)構(gòu)形狀記憶復(fù)合材料


  利用不同增強(qiáng)相和制備工藝可得到不同多尺度結(jié)構(gòu)的形狀記憶復(fù)合材料，如0D點(diǎn)結(jié)構(gòu)（顆粒）、1D線結(jié)構(gòu)（晶須、短切纖維等）、2D平面結(jié)構(gòu)（連續(xù)纖維、靜電紡絲）（圖4）、3D/4D打印結(jié)構(gòu)（3D/4D打印、泡沫等）（圖5）。SMPC多尺度結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和控制為這類材料提供了多種功能和性能，使其在各個(gè)領(lǐng)域都具有高度的適用性。對(duì)多尺度結(jié)構(gòu)的深入研究可以不斷改進(jìn)SMP材料的設(shè)計(jì)和加工技術(shù)，進(jìn)而促進(jìn)相關(guān)領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展。這一進(jìn)步也帶來(lái)了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。 


圖4. 基于形狀記憶聚合物的靜電紡絲概述 


圖5. 4D打印概述示意圖


4.應(yīng)用


  形狀記憶聚合物及其復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、形變量大、易于加工、設(shè)計(jì)多樣化、力學(xué)性能好和可生物降解等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)滲透到在航天航空、生物醫(yī)療、柔性電子、機(jī)器人、智能紡織等重要領(lǐng)域，深受研究者們的關(guān)注（圖6-圖8）。 


圖6. 基于形狀記憶聚合物在航天領(lǐng)域的應(yīng)用 


圖7. 4D打印和人工智能在生物醫(yī)療中的應(yīng)用。 


圖8.基于形狀記憶聚合物的智能紡織應(yīng)用


圖9.形狀記憶聚合物及其復(fù)合材料的未來(lái)展望


  該項(xiàng)研究成果獲得了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的大力支持。


  冷勁松院士團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事于智能材料結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用研究。在航天領(lǐng)域，研制了基于形狀記憶聚合物復(fù)合材料的可展開(kāi)鉸鏈、桁架、重力梯度桿、天線、太陽(yáng)能電池、離軌帆、鎖緊釋放機(jī)構(gòu)等智能結(jié)構(gòu) (Chemical Engineering Journal, 2023, 457, 141282; Small, 2023, 2307244; 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(yīng)用于各種衛(wèi)星平臺(tái)、空間站、探月工程、深空探測(cè)工程等。設(shè)計(jì)制備了構(gòu)型、力學(xué)性能可調(diào)節(jié)、可重構(gòu)的拉脹力學(xué)超材料和像素力學(xué)超材料 (Adv. Funct. Mater., 2020, 30, 2004226; Adv. Funct. Mater., 2022, 32, 2107795)。在生物領(lǐng)域，基于形狀記憶聚合物等智能材料開(kāi)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(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)并研制的基于形狀記憶聚合物的中國(guó)國(guó)旗鎖緊展開(kāi)機(jī)構(gòu)，于2021年5月在天問(wèn)一號(hào)上成功展開(kāi)，使我國(guó)成為世界上首個(gè)將基于形狀記憶聚合物復(fù)合材料的智能結(jié)構(gòu)應(yīng)用于深空探測(cè)工程的國(guó)家 (Smart Mater. Struct., 2022, 31, 115008. )。


  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202312036

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（責(zé)任編輯：xu）
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