哈工大冷勁松教授團隊《Adv. Mater.》綜述: 形狀記憶聚合物及復合材料的機理、材料及應用

【引言】

形狀記憶聚合物（Shape?Memory?Polymer，簡稱SMP）是指具有初始形狀的制品在特定條件下改變為臨時形狀并固定后,通過外界條件刺激（如熱，電，磁，光等）可恢復為初始形狀的智能高分子材料。因其具有質輕、變形大、易編程、彈性模量可調等優點，SMP在過去三十年展現出了在航空航天、生物醫療、4D打印、柔性機器人等應用領域的應用價值。

近日，哈爾濱工業大學冷勁松教授團隊在材料領域權威期刊Advanced Materials上發表名為‘A review of shape memory polymers and composites: mechanisms, materials, and applications’（DOI: 10.1002/adma.202000713）的綜述文章，論文第一作者為課題組博士生夏宇良，通訊作者為冷勁松教授與劉彥菊教授。文章系統地總結了形狀記憶聚合物材料種類及形狀記憶機理，并對形狀記憶聚合物及其復合材料的多種驅動方式及不同領域的應用前景做了詳細的介紹。

【圖文導讀】

圖：形狀記憶聚合物機理，驅動方式以及應用研究實例

文章首先介紹了形狀記憶聚合物的種類及形狀記憶機理，包括單向形狀記憶聚合物，雙向形狀記憶聚合物，以及多重形狀記憶聚合物。其中單向形狀記憶聚合物是目前研究最為廣泛的形狀記憶聚合物，其形狀記憶效應主要源于聚合物的相轉變現象。基于半晶聚合物以及液晶彈性體的雙向形狀記憶聚合物會隨著溫度的升高與降低而產生形狀變化。半晶聚合物的雙向形狀記憶效應來源于分子的取向變化。其升溫時會定向收縮，降溫時會定向延展。液晶彈性體則是由液晶分子交聯而成，其雙向形狀記憶效應來源于液晶分子在不同溫度下各向同性以及各向異性之間的轉換。此外，作者還總結了基于不同轉變機理的多重形狀記憶聚合物的合成方式以及特點。多重形狀記憶聚合物可以在一個形狀記憶循環中展現兩種或兩種以上的臨時形狀，能滿足分段展開的應用需要。

圖：形狀記憶循環示意圖

形狀記憶聚合物及其復合材料可以通過不同的驅動方式來刺激其從臨時形狀恢復為初始形狀。文章詳細總結了包括電、磁、光、溶液等驅動方式。電驅動是常用的形狀記憶驅動方式。通常將形狀記憶聚合物與導電碳材料結合可以提高聚合物的電導率，使其可以響應電刺激；這些導電碳材料包括炭黑、碳納米管、碳纖維以及氧化石墨烯。磁驅動的優點是可以遠程控制形狀記憶聚合物的變形，通過精準調控磁場大小以及方向，可以控制聚合物的形狀記憶變形過程。制備可磁驅動的形狀記憶聚合物復合材料需要將磁性顆粒或磁流體與形狀記憶聚合物混合。相對于磁驅動與電驅動，光驅動的優點是響應速度快，缺點是光的穿透力弱，僅對于薄膜材料有較好的驅動效果。除了上述形狀記憶驅動方式，通過調控溶液的pH值以及聚合物的吸水和脫水過程也可以驅動聚合物的形狀記憶效應。

形狀記憶聚合物及其復合材料在各個領域有著不同的應用。這些領域包括：航空航天、生物醫療、柔性電器、軟機器人、柔性光學器件、4D打印以及干附著材料。形狀記憶聚合物復合材料在航空航天中的應用主要為形狀記憶鉸鏈以及形狀記憶帆板。與傳統的依靠機械的鎖緊結構不同，形狀記憶鉸鏈及帆板可以在加熱時直接展開，降低了鎖緊結構失效的風險。同時，形狀記憶聚合物可控變形的特點尤其適合用于作為4D打印的材料以及柔性機器人的肌肉等應用。

圖：形狀記憶聚合物鉸鏈及帆板

【小結】

本文綜述了近年來形狀記憶聚合物的最新研究進展，包括形狀記憶聚合物的不同種類以及對應機理、形狀記憶聚合物及復合材料的驅動方式與應用。文章的最后，作者指出了新型形狀記憶聚合物未來的設計前景以及面臨的挑戰，為讀者后續的研究提供了參考思路，以期形狀記憶聚合物的研究有著更好的發展。

文獻鏈接：“A Review of Shape Memory Polymers and Composites: Mechanisms, Materials, and Applications”(DOI: 10.1002/adma.202000713)

本文由材料人CYM編譯供稿，材料牛整理編輯。

【作者介紹】

冷勁松教授團隊長期從事于智能結構力學及其應用研究，其中包括形狀記憶聚合物等（Adv. Funct. Mater., 2019, 29, 1906569；Compos. Sci. Technol. 2019, 107866; Mech. Mater.,2020, 148, 103518; Mech. Mater.,2019, 103263; Mech. Mater., 2014, 72, 46-60；Sci. China Technol. Sc.,2020，63(8), 1436–1451；Compos. Part B-Eng.,2020,193,108056; Compos. Part B-Eng.,2020, 194, 108034; Smart Mater. Strnct.,2019,28, 075023;）