智能材料中TiNi形状记忆合金是应用最广泛的形状记忆材料，但其形状转变温度低于100 °C。高温形状记忆合金在智能推进器、大功率机械控制、高驱动力装置等领域有重要应用，但制备难度大、产率低、成本高，严重限制产品开发应用。形状记忆聚合物相比合金具有加工容易、重量轻等优点，但低回复应力是阻碍其推广使用的重要原因。文献中TiNi形状记忆合金、高温形状记忆合金、形状记忆聚合物回复应力通常分别为200~760, 100~500和4-10 MPa。因此，回复应力高、工作性能好、制备便捷、成本低的高温形状记忆材料具有重要的实际应用价值。

  通过采用聚酰亚胺碳纤维布预浸料，哈尔滨工业大学肖鑫礼等用普通设备和简单步骤研制出回复应力达到高温合金水平、驱动器性能和TiNiHf高温合金类似的形状记忆聚酰亚胺材料(HRSMPI)。可获得大尺寸HRSMPI样品(图1.a)，单层厚度0.2 mm，拉伸模量11.5 GPa, 拉伸强度413 MPa。该材料具有优异的弯曲性能，常规三点弯曲测试不能损伤(图1.b)；外力撤掉后恢复其原来形状(图1.c)。

图1. 制备方法便捷的高回复力形状记忆聚酰亚胺材料可形成大尺寸样品(a)，大幅度弯曲(b)，并在外力撤销后恢复原样(c).

  高回复力形状记忆聚酰亚胺材料的玻璃化转变温度(T_g)可以在200~400 °C之间可控调节，其中一种典型HRSMPI的T_g为300 oC。该材料被加热到320 oC并用350 MPa的应力拉开 (步骤 1), 然后降低应力以固定应变(步骤 2)。固定应变冷却，应力随温度降低升高到387 MPa (步骤3)。撤去外力(步骤 4)，在受约束下再次升温到 320 oC ，应力随加热时间增加而升至最大值 (步骤5)。HRSMPI的回复应力是116 MPa (图 2a), 而纯SMPI 的回复应力则是6.8 MPa (图 2b)。FeMnSiCrNi 和退火FeMnSi高温合金的回复应力分别是120 MPa 和 110 MPa,  因此高回复力形状记忆聚酰亚胺的回复应力达到高温形状记忆合金水平。

图2.  高回复力形状记忆聚酰亚胺(a) 和纯形状记忆聚酰亚胺(b)的回复应力

  为验证工作性能，将其制成简易驱动器。用0.2946 g高回复力聚酰亚胺制成的驱动器可以在加热条件下掀翻为其自身重量147倍的铝板(43.51 g)，如图3所示。

图3.  用0.2946 g 高回复力形状记忆聚酰亚胺制成的简易驱动器可掀翻43.51 g 金属板，其在320 oC 热台上0 s (a), 48 s (b), 69 s (c), 71 s (d), 72 s (e), 和73 s (f)的形状。

  将已经在航空航天等领域得到应用的TiNiHf高温形状记忆合金作为参照物，用0.0126 g TiNiHf制作的简易驱动器能够推翻为其自身重量159倍（2.0107 g）的金属板（图4）。从工作性能上看，高回复力形状记忆聚酰亚胺显示了与TiNiHf 高温形状记忆合金类似的性能；多组驱动器实验证明高回复力形状记忆聚酰亚胺具有高可靠性。高回复力形状记忆聚酰亚胺的密度为0.96 g/cm³, 低于TiNiHf 密度（6.5 g/cm³）的1/6。

图4. 用0.0126 g TiNiHf 高温形状记忆合金制作的驱动器可掀翻2.0107 g金属板条，其在热台上0 s (a), 12 s (b), 23 s (c), 29 s (d), 38 s (e), 和39 s (f)的形状.

  因其制备简单便捷、高温形状记忆、高回复应力及低密度等特性，高回复力形状记忆聚酰亚胺材料在高温智能器件中有重要应用前景。在某些情况下，也有可能成为高温形状记忆合金制品的轻量化替代品。

  参考文献：Deyan Kong, Jie Li, Anru Guo, Jianxin Yu, Xinli Xiao*. Smart polyimide with recovery stress at the level of high temperature shape memory alloys. Smart Mater. Struct. 2021, 30, 035027.

  原文链接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-665X/abe182

  下载：Smart polyimide with recovery stress at the level of high temperature shape memory alloys