鄭州大學(xué)上媛媛/北京大學(xué)曹安源團(tuán)隊 Adv. Sci：具有高致動應(yīng)力和預(yù)設(shè)計形狀變化的復(fù)合纖維
2024-08-16 來源：高分子科技
輸出應(yīng)力是衡量形狀記憶聚合物性能的重要參數(shù)；谛螤钣洃浘酆衔锖秃屑{米材料添加劑的復(fù)合材料的致動器已被廣泛研究。然而采用低成本材料和可擴(kuò)展制造工藝開發(fā)多功能驅(qū)動器結(jié)構(gòu)是非常必要的。特別是對于SMP基復(fù)合薄膜或纖維，其驅(qū)動性能和變形能力需要進(jìn)行優(yōu)化和集成，包括納米填料的關(guān)鍵作用在內(nèi)的機(jī)理需要深入分析。
圖1：PU/CNT復(fù)合纖維的制備
圖2：PU/CNT復(fù)合纖維力學(xué)性能及碳納米管作用的分析
圖3：PU/CNT纖維的熱致動性能
原始 PU/CNT 纖維中的各向異性 CNT 呈隨機(jī)排列。當(dāng)拉伸到一定應(yīng)變時，CNT 和聚合物鏈會隨應(yīng)變移動，聚合物鏈段之間的部分氫鍵會形成并固定，從而導(dǎo)致暫時的拉伸固定狀態(tài)。當(dāng)施加熱刺激使分子鏈之間的氫鍵解離時，纖維內(nèi)部的應(yīng)力被釋放，內(nèi)部 CNT 和聚合物鏈恢復(fù)到原來的無序狀態(tài)。碳納米管的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)使它可以在熱/電兩種致動模式下工作，熱致動提供了高的驅(qū)動應(yīng)力(33 MPa)，快速的響應(yīng)(360 ms)，以及高達(dá)56.3%的致動應(yīng)變。通過利用滲透的碳納米管網(wǎng)絡(luò)傳遞到周圍的PU基體的焦耳熱，復(fù)合纖維可以進(jìn)行電致動，且達(dá)到了22 MPa的致動應(yīng)力。
圖4：PU/CNT復(fù)合纖維在電致動提升重物和預(yù)設(shè)計形狀記憶的演示。
此外，不同于傳統(tǒng)的形狀記憶聚合物，由于PU/CNT纖維在室溫下拉伸時形成動態(tài)鍵連接，因此無需高溫刺激即可實(shí)現(xiàn)形狀變化。于是在纖維應(yīng)變線性恢復(fù)的基礎(chǔ)上，又進(jìn)一步探究了多維形狀的形狀記憶（圖6）。熱處理過程中纖維被設(shè)計成多維度的自支撐結(jié)構(gòu)，在外界刺激下（熱/電）可以進(jìn)行可控的空間變形。圖中松樹，繩圈，小房子，彈簧，花朵，折疊結(jié)構(gòu)的形狀記憶說明了PU/CNT復(fù)合纖維在一維(應(yīng)變)、二維和三維空間中均具有快速響應(yīng)的形狀恢復(fù)特性。
原文鏈接：http://doi.org/10.1002/advs.202404913
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