华南理工章圆方/青岛理工朱晓阳 Prog. Mater. Sci. 综述：电热激活软材料

华南理工章圆方/青岛理工朱晓阳 Prog. Mater. Sci. 综述：电热激活软材料 - 机理、方法与应用

2024-12-06 来源：高分子科技

智能材料能够在外部激励（热、光、磁等）作用下表现出自主变形、形状记忆、刚度变化、颜色变化等响应行为。其中，智能软材料由于具有质量轻、变形大、性能可调等优点而成为近年来的研究热点。采用适宜的激活技术对实现智能软材料的工程化应用至关重要。电热激活软材料（EASMs），通过整合智能软材料和电热激活技术来定制各种功能，具有能效高、设计灵活、适用范围广、设备依赖度低等优点，已成功应用于航空航天，并在软体机器人、生物医疗、人机交互和智能家居等前沿领域有着广阔的应用前景。

近年来，针对EASMs性能提升、功能开发、理论建模和精准成形的研究已经取得了一定的进展。然而，如何通过丰富的材料库、多场耦合模型和一体化制造技术实现性能协同、多功能集成的EASMs或EASM器件及其工程化应用仍有待深入探索。鉴于此，华南理工大学章圆方副教授团队联合青岛理工大学兰红波教授/朱晓阳教授团队，在材料科学领域顶级期刊Progress in Materials Science（IF：33.6）发表了题为“Electrothermally activated soft materials: Mechanisms, methods and applications”的长篇综述论文，从材料科学、应用物理和先进制造等多学科视角分析了EASMs的挑战与未来方向，以期促进学科交叉融合，最终推动EASMs在更多领域的工程化应用。

图1 论文总体框架

首先，论文分析了面向EASMs的电热激活技术在航空航天、智能电子、人机交互等前沿领域的工程需求及相对其他竞争技术（包括气压、电场、光场、磁场驱动等）的优势（图2）。进而建立了EASMs材料库，包括形状记忆聚合物（SMP，图3）、液晶弹性体（LCE，图4）、低熔点合金（LMPA，图5）、液气相变材料（LVPCM，图6）和其他热胀材料，系统地阐述了上述EASMs的激活机制、独特性能与功能并给出了选材原则（图2b）。

图2 面向EASMs的电热激活技术工程需求及优势

图3 SMP的性能及功能

图4 LCE的性能及功能

图5 LMPA的性能及功能

图6 LVPCM的类型及致动特点

其次，重点讨论了电加热器件的设计问题。电加热器件在智能软材料中的集成形式分为导电填料、导电薄膜和加热电路三种类型（图7），从功耗角度对比了这三类电加热器件的加热性能（图8），从电-热-力多场耦合的角度阐述了面向EASMs理论模型的发展与挑战，从结构设计角度讨论了加热电路结构-性能（加热、力学性能）间的关系。