哈工大冷劲松院士团队 Small：从弹性到刚性可调节的、可自修复的形状记忆双马来酰亚胺材料

2023-11-30 来源：高分子科技

形状记忆聚合物（SMPs）是一种能够在外部激励下主动变形的智能材料，具有变刚度、可编程和自我感知等特性，并且其行为类似于生命的智能反应，在许多领域具有潜在的应用价值。近日，哈尔滨工业大学冷劲松院士团队在《Small》上发表了题为《A Tailorable Series of Elastomeric-To-Rigid, Selfhealale, Shape Memory Bismaleimide》的研究论文，博士生李悦嘉为第一作者，冷劲松院士和张风华副研究员为共同通讯作者。论文报道了一种热固性双马来酰亚胺材料，该材料具有形状记忆性能、弹性到刚性的可调节性能、自修复和再加工功能。

作者开发了一种双马来酰亚胺形状记忆材料，通过引入混合醚分子、二胺分子、二硫键，从而实现形状记忆性能、弹性到刚性的可调节性能、热固性材料的自修复和再加工功能。利用威廉姆逊反应，制备端基为烯键的混合醚分子，再通过该分子与双马反应时产生的空间位阻效应，将这些分子与马来酰亚胺之间的反应限制在一次发生，得到具有形状记忆效应的材料，材料的形状固定率和回复率分别可达99.4%和95.8%。通过引入二元胺引发马来酰亚胺基团二次反应，实现同系列材料506倍的静态模量变化、66倍的动态模量变化、153℃的T_g变化（图1）。将不同的材料组合在一起的结构可以在不同温度下分别进行变形的过程（图2）。通过引入二硫键，实现热固性材料的自修复、可重塑功能（图3），具体地，它实现了93.2%的模量和90.1%的断裂伸长率的愈合效率。本文设计研制的形状记忆双马来酰亚胺材料为未来航天领域可展开结构的回收再利用提供了可能（图4）。

图1. SMPs的力学性能：（a）不同D400比利材料的DMA存储模量-温度曲线；（b）DMA Tanδ- SMPs的T曲线；（c）DPS1 - DPS5的拉伸应力-应变曲线；（d）模量、强度、断裂伸长率数据（坐标轴标尺为指数）。

图2. 四种材料组成的结构在四种温度下依次经历形状记忆循环的过程：（a）四种材料在室温下组成的临时结构；（b）-（e）：分别在48℃、78℃、108℃、148℃四种温度下变形后的结构。（a）和（e）之间的照片显示了主动变形的过程。从（e）到（a）是形状固定的过程。

图3.（a）拉伸试样截面自修复过程中二硫键的变化；（b）修复后的smp与原始smp的拉伸应力-应变曲线；（c）-（l）SMPs自修复过程显微图；（c）、（d）：自修复前后DPS5图；（e）、（f）：自修复前后DPS4图；（g）、（h）：DPS3自修复前后曲线图；（i）、（j）：自修复前后DPS2图；（k）、（l）：DPS1自修复前后的图。

图4.（a）可重塑形状记忆双马来酰亚胺空间站结构应用示意图、损坏后的回收过程、重塑后的形状记忆过程；（b）、（c）DPS5重塑前后的照片；（d）DPS5重塑蝴蝶结结构的变形过程。

该项研究成果获得了国家重点研发计划的大力支持。

冷劲松院士团队长期从事于智能材料结构及其应用研究。在航天领域，研制了基于形状记忆聚合物复合材料的可展开铰链、桁架、重力梯度杆、天线、太阳能电池、离轨帆、锁紧释放机构等智能结构 (Chemical Engineering Journal, 2023, 457, 141282; Sci. China. Technol. Sc., 2020, 63, 1436–1451; Smart Mater. Struct., 2022, 31, 025021; Compos. Struct., 2022, 280, 114918; AIAA J., 2021, 59, 2200-2213; Compos. Struct., 2022, 290, 115513; Compos. Struct., 2020, 232, 111561; Compos. Struct., 2019, 223, 110936.)，可应用于各种卫星平台、空间站、探月工程、深空探测工程等。设计制备了构型、力学性能可调节、可重构的拉胀力学超材料和像素力学超材料 (Adv. Funct. Mater., 2020, 30, 2004226; Adv. Funct. Mater., 2022, 32, 2107795)。在生物领域，基于形状记忆聚合物等智能材料开发了多种智能生物支架和人工假体 (Advanced Fiber Materials, 2023, 5, 632-649; Research, 2023, 6, 0234; Biomaterials, 2022, 291, 121886; ACS Appl. Mater. Interfaces, 2022, 14, 42568-42577; Compos. Sci. Technology, 2021, 203, 108563; Compos. Part A-Appl. S., 2019, 125, 105571; Adv. Funct. Mater., 2019, 29, 1906569)。冷劲松院士团队自主设计并研制的基于形状记忆聚合物的中国国旗锁紧展开机构，于2021年5月在天问一号上成功展开，使我国成为世界上首个将基于形状记忆聚合物复合材料的智能结构应用于深空探测工程的国家 (Smart Mater. Struct., 2022, 31, 115008. )。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202307244

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（责任编辑：xu）

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