哈工大冷劲松院士团队 AFM综述：形状记忆聚合物最新进展 - 材料、结构及应用

2023-12-27 来源：高分子科技

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院士团队在《Advanced Functional Materials》上发表了题为《Recent Advances in Shape Memory Polymers: Multifunctional Materials, Multiscale Structures and Applications》的综述，博士生罗兰为第一作者，冷劲松院士和张风华副研究员为共同通讯作者。

在综述中，作者简要回顾了形状记忆聚合物及其复合材料的研究进展。重点介绍了多功能形状记忆聚合物，包括自变形、自传感、自修复以及自学习等特性。结合功能型增强体形成形状记忆聚合物复合材料（SMPC），在微观尺度上设计和控制材料的结构和组织，从而实现更精确和可控的形状记忆效果，扩大材料的应用潜力（图1）。形状记忆聚合物及其复合材料在机器人、智能服装、智能纺织品、生物医学设备和可穿戴技术领域有着广泛而迷人的应用。因此，形状记忆聚合物未来将在各个领域中均发挥着重要作用。

图1. 形状记忆聚合物及其应用

1.形状记忆聚合物机理

单向形状记忆聚合物的形状记忆机制是理解所有形状记忆聚合物变形过程的基础。以热驱动形状记忆聚合物为例，材料中存在两相，包括一个可随温度从玻璃态变为橡胶态的可逆相和一个保持初始形状的固定相，材料表现出形状记忆（图2）。根据固定相的不同交联方法，形状记忆聚合物可分为两类：热固性和热塑性。稳定的聚合物网络和可逆相是聚合物的两个不同部分，稳定的聚合物网络由分子缠结、结晶相、化学交联或互穿网络形成，决定了聚合物的永久形状，而可逆相由晶向非晶转变、玻璃化转变、各向异性/各向同性转换、可逆化学交联或超分子结构缔合/解离组成，起固定暂时形状的作用。

图2. 形状记忆聚合物机理示意图

2.多功能形状记忆聚合物

形状记忆聚合物受到外界刺激时，可从临时形状恢复到原始形状。因其自适应性，可在各个应用中提供灵活性和可定制性，实现可控的形状调整。它们能够周围环境的变化，并产生相应的反应。例如，它们可以通过温度、压力和湿度等因素的变化来触发形状或功能的变化，从而在实际应用中实现智能化和响应性。此外，自修复形状记忆聚合物可以在材料损坏或磨损时自我修复，延长其使用寿命并提高稳定性。未来，形状记忆聚合物逐渐向自主学习方向发展，为材料的优化和进一步创新提供了可能，推动了智能材料领域的研究与发展（图3）。

图3. 形状记忆材料的分类和介绍

3.多尺度结构形状记忆复合材料

利用不同增强相和制备工艺可得到不同多尺度结构的形状记忆复合材料，如0D点结构（颗粒）、1D线结构（晶须、短切纤维等）、2D平面结构（连续纤维、静电纺丝）（图4）、3D/4D打印结构（3D/4D打印、泡沫等）（图5）。SMPC多尺度结构的设计和控制为这类材料提供了多种功能和性能，使其在各个领域都具有高度的适用性。对多尺度结构的深入研究可以不断改进SMP材料的设计和加工技术，进而促进相关领域的创新发展。这一进步也带来了新的机遇和挑战。

图4. 基于形状记忆聚合物的静电纺丝概述

图5. 4D打印概述示意图

4.应用

形状记忆聚合物及其复合材料具有质量轻、形变量大、易于加工、设计多样化、力学性能好和可生物降解等优点，已经渗透到在航天航空、生物医疗、柔性电子、机器人、智能纺织等重要领域，深受研究者们的关注（图6-图8）。

图6. 基于形状记忆聚合物在航天领域的应用

图7. 4D打印和人工智能在生物医疗中的应用。

图8.基于形状记忆聚合物的智能纺织应用

图9.形状记忆聚合物及其复合材料的未来展望

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; Small, 2023, 2307244; 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/adfm.202312036

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（责任编辑：xu）

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