Advanced Materials:形状记忆聚合物及其复合材料的机理、材料及应用

形状记忆聚合物(Shape Memory Polymer,简称SMP)是指具有初始形状的制品在特定条件下改变为临时形状并固定后,通过外界条件刺激(如热,电,磁,光等)可恢复为初始形状的智能高分子材料。因其具有质轻、变形大、易编程、弹性模量可调等优点,SMP在过去三十年展现出了在航空航天、生物医疗、4D打印、柔性机器人等应用领域的应用价值。

近日,哈尔滨工业大学冷劲松教授团队在材料领域权威期刊Advanced Materials上发表名为‘A review of shape memory polymers and composites: mechanisms, materials, and applications’(DOI: 10.1002/adma.202000713)的综述文章,论文第一作者为课题组博士生夏宇良,通讯作者为刘彦菊教授与冷劲松教授。文章系统地总结了形状记忆聚合物材料种类及形状记忆机理,并对形状记忆聚合物及其复合材料的多种驱动方式及不同领域的应用前景做了详细的介绍。

文章首先介绍了形状记忆聚合物的种类及形状记忆机理,包括单向形状记忆聚合物,双向形状记忆聚合物,以及多重形状记忆聚合物。其中单向形状记忆聚合物是目前研究最为广泛的形状记忆聚合物,其形状记忆效应主要源于聚合物的相转变现象。基于半晶聚合物以及液晶弹性体的双向形状记忆聚合物会随着温度的升高与降低而产生形状变化。半晶聚合物的双向形状记忆效应来源于分子的取向变化。其升温时会定向收缩,降温时会定向延展。液晶弹性体则是由液晶分子交联而成,其双向形状记忆效应来源于液晶分子在不同温度下各向同性以及各向异性之间的转换。此外,作者还总结了基于不同转变机理的多重形状记忆聚合物的合成方式以及特点。多重形状记忆聚合物可以在一个形状记忆循环中展现两种或两种以上的临时形状,能满足分段展开的应用需要。

形状记忆聚合物及其复合材料可以通过不同的驱动方式来刺激其从临时形状恢复为初始形状。文章详细总结了包括电、磁、光、溶液等驱动方式。电驱动是常用的形状记忆驱动方式。通常将形状记忆聚合物与导电碳材料结合可以提高聚合物的电导率,使其可以响应电刺激;这些导电碳材料包括炭黑、碳纳米管、碳纤维以及氧化石墨烯。磁驱动的优点是可以远程控制形状记忆聚合物的变形,通过精准调控磁场大小以及方向,可以控制聚合物的形状记忆变形过程。制备可磁驱动的形状记忆聚合物复合材料需要将磁性颗粒或磁流体与形状记忆聚合物混合。相对于磁驱动与电驱动,光驱动的优点是响应速度快,缺点是光的穿透力弱,仅对于薄膜材料有较好的驱动效果。除了上述形状记忆驱动方式,通过调控溶液的pH值以及聚合物的吸水和脱水过程也可以驱动聚合物的形状记忆效应。

形状记忆聚合物及其复合材料在各个领域有着不同的应用。这些领域包括:航空航天、生物医疗、柔性电器、软机器人、柔性光学器件、4D打印以及干附着材料。形状记忆聚合物复合材料在航空航天中的应用主要为形状记忆铰链以及形状记忆帆板。与传统的依靠机械的锁紧结构不同,形状记忆铰链及帆板可以在加热时直接展开,降低了锁紧结构失效的风险。同时,形状记忆聚合物可控变形的特点尤其适合用于作为4D打印的材料以及柔性机器人的肌肉等应用。

本文综述了近年来形状记忆聚合物的最新研究进展,包括形状记忆聚合物的不同种类以及对应机理、形状记忆聚合物及复合材料的驱动方式与应用。文章的最后,作者指出了新型形状记忆聚合物未来的设计前景以及面临的挑战,为读者后续的研究提供了参考思路,以期形状记忆聚合物的研究有着更好的发展。