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華南理工章圓方/青島理工朱曉陽 Prog. Mater. Sci. 綜述：電熱激活軟材料 - 機(jī)理、方法與應(yīng)用
2024-12-06  來源：高分子科技
關(guān)鍵詞：電熱激活軟材料

  智能材料能夠在外部激勵（熱、光、磁等）作用下表現(xiàn)出自主變形、形狀記憶、剛度變化、顏色變化等響應(yīng)行為。其中，智能軟材料由于具有質(zhì)量輕、變形大、性能可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)而成為近年來的研究熱點(diǎn)。采用適宜的激活技術(shù)對實(shí)現(xiàn)智能軟材料的工程化應(yīng)用至關(guān)重要。電熱激活軟材料（EASMs），通過整合智能軟材料和電熱激活技術(shù)來定制各種功能，具有能效高、設(shè)計靈活、適用范圍廣、設(shè)備依賴度低等優(yōu)點(diǎn)，已成功應(yīng)用于航空航天，并在軟體機(jī)器人、生物醫(yī)療、人機(jī)交互和智能家居等前沿領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。


  近年來，針對EASMs性能提升、功能開發(fā)、理論建模和精準(zhǔn)成形的研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展。然而，如何通過豐富的材料庫、多場耦合模型和一體化制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)性能協(xié)同、多功能集成的EASMs或EASM器件及其工程化應(yīng)用仍有待深入探索。鑒于此，華南理工大學(xué)章圓方副教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合青島理工大學(xué)蘭紅波教授/朱曉陽教授團(tuán)隊(duì)，在材料科學(xué)領(lǐng)域頂級期刊Progress in Materials Science（IF：33.6）發(fā)表了題為“Electrothermally activated soft materials: Mechanisms, methods and applications”的長篇綜述論文，從材料科學(xué)、應(yīng)用物理和先進(jìn)制造等多學(xué)科視角分析了EASMs的挑戰(zhàn)與未來方向，以期促進(jìn)學(xué)科交叉融合，最終推動EASMs在更多領(lǐng)域的工程化應(yīng)用。


圖1 論文總體框架


  首先，論文分析了面向EASMs的電熱激活技術(shù)在航空航天、智能電子、人機(jī)交互等前沿領(lǐng)域的工程需求及相對其他競爭技術(shù)（包括氣壓、電場、光場、磁場驅(qū)動等）的優(yōu)勢（圖2）。進(jìn)而建立了EASMs材料庫，包括形狀記憶聚合物（SMP，圖3）、液晶彈性體（LCE，圖4）、低熔點(diǎn)合金（LMPA，圖5）、液氣相變材料（LVPCM，圖6）和其他熱脹材料，系統(tǒng)地闡述了上述EASMs的激活機(jī)制、獨(dú)特性能與功能并給出了選材原則（圖2b）。


圖2 面向EASMs的電熱激活技術(shù)工程需求及優(yōu)勢


圖3 SMP的性能及功能


圖4 LCE的性能及功能


圖5 LMPA的性能及功能


圖6 LVPCM的類型及致動特點(diǎn)


  其次，重點(diǎn)討論了電加熱器件的設(shè)計問題。電加熱器件在智能軟材料中的集成形式分為導(dǎo)電填料、導(dǎo)電薄膜和加熱電路三種類型（圖7），從功耗角度對比了這三類電加熱器件的加熱性能（圖8），從電-熱-力多場耦合的角度闡述了面向EASMs理論模型的發(fā)展與挑戰(zhàn)，從結(jié)構(gòu)設(shè)計角度討論了加熱電路結(jié)構(gòu)-性能（加熱、力學(xué)性能）間的關(guān)系。


圖7 電加熱器件在智能軟材料中的三類集成形式


圖8 三類電加熱器件的加熱性能


隨后，系統(tǒng)地總結(jié)了集成各類電加熱器件的EASMs制造技術(shù)及其基本原理、特點(diǎn)與局限（表1）。綜述了EASMs在航空航天、生物醫(yī)療、軟體機(jī)器人和人機(jī)交互等九大領(lǐng)域的應(yīng)用前景。


表1 面向三類電加熱器件的EASMs制造技術(shù)及其基本原理、特點(diǎn)與局限


  最后，指出了EASMs的挑戰(zhàn)，包括低電壓快速激活、多物理場精準(zhǔn)調(diào)控及形/性一體化制造技術(shù)等方面，針對上述挑戰(zhàn)提出了相應(yīng)的解決思路或建議方案；并展望了EASMs從材料到器件再到系統(tǒng)的發(fā)展路線，涵蓋多學(xué)科交叉研究、概念突破和需求牽引型創(chuàng)新（圖9）。


圖9 EASMs發(fā)展路線展望


  華南理工大學(xué)博士研究生龍承運(yùn)為文章第一作者，華南理工大學(xué)章圓方副教授和青島理工大學(xué)朱曉陽教授為文章共同通訊作者。感謝國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目對本工作的資助及香港大學(xué)機(jī)械工程系方絢萊教授的指導(dǎo)。


  文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2024.101406


  注：部分圖片引用來源請查閱原文。

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（責(zé)任編輯：xu）
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