形狀記憶聚合物（Shape Memory Polymer，簡稱SMP）是指具有初始形狀的制品在特定條件下改變?yōu)榕R時形狀并固定后,通過外界條件刺激（如熱，電，磁，光等）可恢復為初始形狀的智能高分子材料。因其具有質(zhì)輕、變形大、易編程、彈性模量可調(diào)等優(yōu)點，SMP在過去三十年展現(xiàn)出了在航空航天、生物醫(yī)療、4D打印、柔性機器人等應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用價值。近日，哈爾濱工業(yè)大學冷勁松院士團隊在《Advanced Functional Materials》上發(fā)表了題為《Recent Advances in Shape Memory Polymers: Multifunctional Materials, Multiscale Structures and Applications》的綜述，博士生羅蘭為第一作者，冷勁松院士和張風華副研究員為共同通訊作者。
在綜述中，作者簡要回顧了形狀記憶聚合物及其復合材料的研究進展。重點介紹了多功能形狀記憶聚合物，包括自變形、自傳感、自修復以及自學習等特性。結(jié)合功能型增強體形成形狀記憶聚合物復合材料（SMPC），在微觀尺度上設(shè)計和控制材料的結(jié)構(gòu)和組織，從而實現(xiàn)更精確和可控的形狀記憶效果，擴大材料的應(yīng)用潛力（圖1）。形狀記憶聚合物及其復合材料在機器人、智能服裝、智能紡織品、生物醫(yī)學設(shè)備和可穿戴技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛而迷人的應(yīng)用。因此，形狀記憶聚合物未來將在各個領(lǐng)域中均發(fā)揮著重要作用。
圖1. 形狀記憶聚合物及其應(yīng)用
1.形狀記憶聚合物機理
單向形狀記憶聚合物的形狀記憶機制是理解所有形狀記憶聚合物變形過程的基礎(chǔ)。以熱驅(qū)動形狀記憶聚合物為例，材料中存在兩相，包括一個可隨溫度從玻璃態(tài)變?yōu)橄鹉z態(tài)的可逆相和一個保持初始形狀的固定相，材料表現(xiàn)出形狀記憶（圖2）。根據(jù)固定相的不同交聯(lián)方法，形狀記憶聚合物可分為兩類：熱固性和熱塑性。穩(wěn)定的聚合物網(wǎng)絡(luò)和可逆相是聚合物的兩個不同部分，穩(wěn)定的聚合物網(wǎng)絡(luò)由分子纏結(jié)、結(jié)晶相、化學交聯(lián)或互穿網(wǎng)絡(luò)形成，決定了聚合物的永久形狀，而可逆相由晶向非晶轉(zhuǎn)變、玻璃化轉(zhuǎn)變、各向異性/各向同性轉(zhuǎn)換、可逆化學交聯(lián)或超分子結(jié)構(gòu)締合/解離組成，起固定暫時形狀的作用。
圖2. 形狀記憶聚合物機理示意圖
2.多功能形狀記憶聚合物
形狀記憶聚合物受到外界刺激時，可從臨時形狀恢復到原始形狀。因其自適應(yīng)性，可在各個應(yīng)用中提供靈活性和可定制性，實現(xiàn)可控的形狀調(diào)整。它們能夠周圍環(huán)境的變化，并產(chǎn)生相應(yīng)的反應(yīng)。例如，它們可以通過溫度、壓力和濕度等因素的變化來觸發(fā)形狀或功能的變化，從而在實際應(yīng)用中實現(xiàn)智能化和響應(yīng)性。此外，自修復形狀記憶聚合物可以在材料損壞或磨損時自我修復，延長其使用壽命并提高穩(wěn)定性。未來，形狀記憶聚合物逐漸向自主學習方向發(fā)展，為材料的優(yōu)化和進一步創(chuàng)新提供了可能，推動了智能材料領(lǐng)域的研究與發(fā)展（圖3）。
圖3. 形狀記憶材料的分類和介紹
3.多尺度結(jié)構(gòu)形狀記憶復合材料
利用不同增強相和制備工藝可得到不同多尺度結(jié)構(gòu)的形狀記憶復合材料，如0D點結(jié)構(gòu)（顆粒）、1D線結(jié)構(gòu)（晶須、短切纖維等）、2D平面結(jié)構(gòu)（連續(xù)纖維、靜電紡絲）（圖4）、3D/4D打印結(jié)構(gòu)（3D/4D打印、泡沫等）（圖5）。SMPC多尺度結(jié)構(gòu)的設(shè)計和控制為這類材料提供了多種功能和性能，使其在各個領(lǐng)域都具有高度的適用性。對多尺度結(jié)構(gòu)的深入研究可以不斷改進SMP材料的設(shè)計和加工技術(shù)，進而促進相關(guān)領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展。這一進步也帶來了新的機遇和挑戰(zhàn)。
圖4. 基于形狀記憶聚合物的靜電紡絲概述
圖5. 4D打印概述示意圖
4.應(yīng)用
形狀記憶聚合物及其復合材料具有質(zhì)量輕、形變量大、易于加工、設(shè)計多樣化、力學性能好和可生物降解等優(yōu)點，已經(jīng)滲透到在航天航空、生物醫(yī)療、柔性電子、機器人、智能紡織等重要領(lǐng)域，深受研究者們的關(guān)注（圖6-圖8）。
圖6. 基于形狀記憶聚合物在航天領(lǐng)域的應(yīng)用
圖7. 4D打印和人工智能在生物醫(yī)療中的應(yīng)用。
圖8.基于形狀記憶聚合物的智能紡織應(yīng)用
圖9.形狀記憶聚合物及其復合材料的未來展望
該項研究成果獲得了國家重點研發(fā)計劃的大力支持。
冷勁松院士團隊長期從事于智能材料結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用研究。在航天領(lǐng)域，研制了基于形狀記憶聚合物復合材料的可展開鉸鏈、桁架、重力梯度桿、天線、太陽能電池、離軌帆、鎖緊釋放機構(gòu)等智能結(jié)構(gòu) (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.)，可應(yīng)用于各種衛(wèi)星平臺、空間站、探月工程、深空探測工程等。設(shè)計制備了構(gòu)型、力學性能可調(diào)節(jié)、可重構(gòu)的拉脹力學超材料和像素力學超材料 (Adv. Funct. Mater., 2020, 30, 2004226; Adv. Funct. Mater., 2022, 32, 2107795)。在生物領(lǐng)域，基于形狀記憶聚合物等智能材料開發(fā)了多種智能生物支架和人工假體 (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)。冷勁松院士團隊自主設(shè)計并研制的基于形狀記憶聚合物的中國國旗鎖緊展開機構(gòu)，于2021年5月在天問一號上成功展開，使我國成為世界上首個將基于形狀記憶聚合物復合材料的智能結(jié)構(gòu)應(yīng)用于深空探測工程的國家 (Smart Mater. Struct., 2022, 31, 115008. )。
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202312036
