形状记忆聚合物化学感应型SMP

形状记忆智能材料智能材料结构又称机敏结构(Smart/Intelligent Materials and Structures)，泛指将传感元件、驱动元件以及有关的信号处理和控制电路集成在材料结构中，通过机、热、光、化、电、磁等激励和控制，不仅具有承受载荷的能力，而且具有识别、分析、处理及控制等多种功能，能进行自诊断、自适应、自学习、自修复的材料结构。

智能材料结构是一门交叉的前沿学科，所涉及的专业领域非常广泛。

智能材料可以分为形状改变材料（SCM）和形状记忆材料（SMM）两类。

SCM本身就是一个开关，在外部刺激的作用下，它陪伴着临时转换机制，即当移除外部触发器（刺激）时，转换后的实体便回到其原始形状。

相反，SMM会适应触发的形状或临时形状，除非另一个触发器将变化推回其原始形式，并且材料能够追踪在刺激作用下自身经历的转换路径。

具有形状记忆特性的材料分为形状记忆水凝胶（SMH）、形状记忆陶瓷（SMC）、形状记忆合金（SMA）、形状记忆复合材料（SMC）和聚合物（SMP），其中SMP是研究最多的类别。

1、形状记忆聚合物（SMP）SMP是一组可以在有外部刺激（例如热或光）的情况下保持临时形状并恢复其初始形状的聚合物。

由于其相对高的模量和刺激响应速度，形状记忆聚合物是最广泛使用的活性材料。

对于SMP实现形状转移行为，它需要一个编程步骤和一个恢复步骤。

在编程步骤中，SMP首先在高于转变温度（Tt）的温度下变形（对于半结晶聚合物，其熔化温度为Tm，对于无定形聚合物的玻璃化转变温度为Tg），然后冷却至Tt 以下，SMP以变形形状编程（或固定）。

通过恢复步骤实现形状转变，在恢复步骤中，SMP被加热到高于Tt的温度，并且由于熵弹性，SMP恢复到其原始形状。

为了更好地协助SMP在4D打印领域的应用，应该通过适当的理论模型很好地描述上述形状记忆（SM）行为。

在SMP现有模型中，基于热粘弹性模型和基于相位演变的模型已被广泛采用。

形状记忆聚合物分类形状记忆聚合物（Shape memory polymer, SMP）是一种具有形状记忆和可复原性能的新型复合聚合物材料。

它由普通的聚合物和形状记忆效应引发剂混合而成，在改变形状后，可以在温度变化的作用下，自动回到原来的形状。

这种材料具有许多优点，如低成本、易于制造、可编程、可调节等，使得它在工业、航空航天、医药、汽车、消费者和运动用品等领域有着广泛的应用前景。

形状记忆聚合物有多种种类，根据结构的不同，可以将它们分为三大类：第一类是自释放式形状记忆聚合物，又称为自释放式SMP，它具有自释放的形状记忆效应，即两态之间的转换不需要外力的帮助，它可以自动完成形状的转换，是目前最常用的形状记忆聚合物。

第二类是可激活形状记忆聚合物，又称为可激活SMP，它需要外力（如温度、光、电磁等）才能触发形状记忆效应，可以较好地控制形状的变化，在某些应用领域有着重要的意义。

第三类是可逆形状记忆聚合物，又称为可逆SMP，它具有可逆的形状记忆效应，即两态之间的转换可以反复多次，可以多次地改变材料的形状，在某些应用中也有重要的意义。

形状记忆聚合物还可以分为非金属性SMP和金属性SMP，前者是典型的高分子材料，它的形状记忆效应是由温度的变化而触发的；后者是一种含有金属离子的复合聚合物，具有良好的耐腐蚀性，它的形状记忆效应是由可激活剂改变晶体结构而触发的。

此外，形状记忆聚合物还可以按照来源进行分类，其中包括生物形状记忆聚合物、人工合成形状记忆聚合物、基于晶体结构的形状记忆聚合物、基于热反应的形状记忆聚合物等。

生物形状记忆聚合物是一种基于生物分子结构的新型复合聚合物材料，它具有良好的可调节性和可复原性，主要用于医疗保健、生物传感器、军事装备等领域。

人工合成形状记忆聚合物是一种以小分子为主要组份，由人工合成方法制备出来的新型聚合物材料，具有良好的力学性能、外部环境耐受性以及可编程性等特点，主要用于航空航天、机器人技术、汽车工业等领域。

形状记忆的高分子材料的研究进展Research Progress of Shape Memory Polymer Material1 综述摘要：形状记忆高分子（SMP）是一类新型的功能高分子材料，是高分子材料研究、开发、应用的一个新的分支点，它同时兼具有塑料和橡胶的特性。

形状记忆高分子材料是一种可以响应外界刺激，并调整自身状态参数，从而回复到预先设定状态的一种智能高分子材料。

本文简单介绍了形状记忆高分子材料的性能、种类和应用。

关键词：形状记忆；高分子材料；聚合物；研究进展1形状记忆高分子材料简介.形状记忆的高分子材料是一种能够感知外部环境如光、热、、电、磁等，并且能够根据外部环境的变化而自发的对自身的参数进行调整还原到预先设定状态的一种智能高分子材料。

形状记忆高分子( Shape Memory Polymer，简称 SMP) 材料具有可恢复形变量大、质轻价廉、易成型加工、电绝缘效果好等优点，从20世纪80年代以来赢得广泛关注和研究，并得到了快速发展，因其独特的性能和特点，使其这些年来在材料领域中扮演着重要的角色。

近40年来，科研工作者们相继开发出了多种形状记忆高分子材料，如聚乙烯、聚异戊二烯、聚酯、共聚酯、聚酰胺、共聚酰胺、聚氨酯等，它们被广泛应用于航空航天、生物医用、智能纺织、信息载体、自我修复等多个材料领域。

显示出了形状记忆高分子材料广泛的应用前景的地位。

2.形状记忆高分子材料的分类及应用根据响应方式的不同可以将形状记忆高分子分材料大致分为热致型、光致型、化学感应型、电致型等类型。

其中，热致感应型和光致感应型应用最为广泛。

2.1热致感应型热致SMP是一种通过施加电场或红外光照射等刺激促使其在室温以上变形，并能在室温固定形变且可长期存放，当再次升温至某一固定温度时，材料能够恢复到初始形状。

热致型SMP被广泛用于医疗卫生、体育运动、建筑、包装、汽车及科学实验等领域，如医用器械、泡沫塑料、坐垫、光信息记录介质及报警器等。

1、形状记忆高分子定义形状记忆高分子（Shape Memory Polymer）SMP材料是指具有初始形状的制品，在一定的条件下改变其初始形状并固定后,通过外界条件（如热、光、电、化学感应）等的刺激，又可恢复其初始形状的高分子材料。

2、记忆的过程SMP记忆过程主要描述如下的循环过程：2.1引发形状记忆效应的外部环境因素：物理因素：热能，光能，电能和声能等。

化学因素：酸碱度，螯合反应和相转变反应等。

2.2 状记忆高分子分类故根据记忆响应机理，形状记忆高分子可以分为以下几类:1）热致感应型SMP2）光致感应型SMP3）电致感应型SMP4）化学感应型SMP3、高分子的形状记忆过程和原理3.1形状记忆聚合物的相结构3.2产生记忆效应的内在原因需要从结构上进行分析。

由于柔性高分子材料的长链结构，分子链的长度与直径相差十分悬殊，柔软而易于互相缠结，而且每个分子链的长短不一，要形成规整的完全晶体结构是很困难的。

这些结构特点就决定了大多数高聚物的宏观结构均是结晶和无定形两种状态的共存体系。

如PE，PVC等。

高聚物未经交联时，一旦加热温度超过其结晶熔点，就表现为暂时的流动性质，观察不出记忆特性；高聚物经交联后，原来的线性结构变成三维网状结构，加热到其熔点以上是，不再熔化，而是在很宽的温度范围内表现出弹性体的性质，如下图所示。

3.3 形状记忆过程4、热致感应型形状记忆高分子定义：在室温以上一定温度变形并能在室温固定形变且长期存放，当再升温至某一特定响应温度时，能很快恢复初始形状的聚合物。

这类SMP一般都是由防止树脂流动并记忆起始态的固定相与随温度变化的能可逆地固化和软化的可逆相组成。

固定相：聚合物交联结构或部分结晶结构，在工作温度范围内保持稳定，用以保持成型制品形状即记忆起始态。

可逆相：能够随温度变化在结晶与结晶熔融态（Tm）或玻璃态与橡胶态间可逆转变（Tg），相应结构发生软化、硬化可逆变化—保证成型制品可以改变形状。

主要的形状记忆聚合物
形状记忆聚合物（Shape Memory Polymer，简称SMP）是一种智能响应性材料，具有记忆和恢复初始形状的特性。

其主要应用领域包括医疗、纺织、机械和化工等。

SMP的材料特性包括：
1. 可恢复性：SMP在变形后能够在外部刺激下恢复到其初始形状。

2. 低密度：SMP相对于其他金属材料，具有较小的密度，有利于减轻结构重量。

3. 易加工：SMP加工性能良好，可以采用多种方法进行成型。

4. 形状转变温度可调：SMP的形状转变温度可以根据需要进行调整。

5. 良好的生物相容性：SMP在医疗领域具有广泛应用前景，因为它具有良好的生物相容性。

6. 智能响应：SMP可以根据外部环境条件（如温度、光照等）发生形状变化。

在我国，形状记忆聚合物研究取得了显著进展，包括构建本构方程、实验验证以及将其应用于医疗等领域。

例如，已有的研究项目中，新型形状记忆聚合物技术获得了美国药监局（FDA）的研究设备豁免（IDE），开始试验以确定其在选择性血管内动脉瘤修复术（Evar）中的安全性和有效性。

此外，形状记忆聚合物在智能制造领域也具有潜力。

例如，将SMP应用于机器人领域的驱动器，可以实现自适应变形，提高机器人的灵活性和适应性。

总之，形状记忆聚合物是一种具有广泛应用前景的创新材料，其特性包括可恢复性、低密度、易加工、形状转变温度可调、良好的生物相容性和智能响应等。

在我国，研究者正努力推动形状记忆聚合物技术的发展，并将其应用于医疗、智能制造等领域。

形状记忆高分子材料20世纪60年代初，英国科学家A.Charlesby在其所著的《原子辐射与聚合物》中，首次报道了经辐射交联后的聚乙烯具有记忆效应。

当时这种发现并没有引起人们的足够的重视。

随后美国国家航空航天局（NASA）考虑其在航空航天领域的潜在应用价值，对不同牌号的聚乙烯辐射交联后的记忆特性又进行了研究，证实了辐射交联聚乙烯的形状记忆性能。

70年代末到80年代初，美国Raychem，RDI(Radiation Dynamics Inc.)公司进一步将交联聚烯烃类形状记忆聚合物商品化，广泛应用于电线电缆，管道的接续与防护，至今F系列战斗机，Boeing飞机上的电线接续与线挽仍在广泛使用这类记忆材料。

此外，国内长春应化所，西北核技术研究所等单位80年代后期以来也有研究和生产。

因此，形状记忆材料以其独特的性能引起了人们极大的兴趣。

所谓形状记忆高分子材料，是指具有初始形状的高分子物体经形变并固定之后，经过加热等外部条件刺激手段的处理又可使其恢复初始形状的高分子材料。

外部条件除热能外，还可是光能、电能等物理因素及酸碱度、相转变反应和螯合反应等化学因素。

通过这些外加刺激，触发材料作出响应，从而改变材料的技术参数，诸如形状、位置、应变、硬度、频率、摩擦和动态或静态特征等。

由于形状记忆材料具有优异的性能，诸如形状记忆效应、高回复形变、良好的抗震性和适应性，以及易以线、颗粒或纤维的形式与其他材料结合形成复合材料等，使其发展越来越受到重视。

形状记忆高分子或形状记忆聚合物(SMP，ShapeMemoryPolymer)作为一种功能性高分子材料，是高分子材料研究、开发、应用的一个新分支，并且由于形状记忆高分子与纺织材料具有相容性，在纺织、服装以及医疗护理产品中具有潜在应用优势。

1 形状记忆高分子材料种类、结构和性能1.1 形状记忆高分子材料种类形状记忆高分子材料根据其形状回复原理可分为：热感应SMP，电致感应型SMP，光致感应型SMP，化学感应型SMP等，热致型SMP：在室温以上变形，并能在室温固定形变且可长期存放，当温度再升至某一特定响应温度时，制件能很快回复初始形状的聚合物。

主持：乐羊
羊
形状记忆聚合物，是一种可通过外界条件（如热、电、光、化学感应等）的刺激恢复其初始形状的高分子材料，具有质轻价廉、便于制造加工、力学性能优异、生物相容性良好等特点。

/栏目责编：周伟琳、江枫/
1960年，美国科学家威廉•布勒在冶炼镍钛合金时发现，被折叠成手风琴形状的镍钛合金条被加热后，竟然恢复到最初的细条形状。

此后，被称为“形状记忆合金”的材料诞生了。

随着科学技术的发展，高分子材料和纳米材料等新材料不断涌现，形状记忆材料也不再局限于合金。

目前，具有形状记忆功能的聚合物已被制造出来，并被用于不同的领域中。

在生物医学领域，形状记忆聚合物被广泛应用于医疗器械、矫形固定和药物释放等方面。

如聚氨酯基形状记忆聚合物支架大大降低了患者的血管再次变窄的风险，被植入人体后，能够更好地与人体“兼容”。

在纺织领域，形状记忆聚合物被用于生产绝热织物、透气面料等纺织品。

如采用形状记忆钛镍合金纤维和合成纤维锦纶交织制出的衣物，拥有柔软的手感和良好的形状记忆性能，可根据穿戴者的实时状态及时调整衣物形态。

（本文根据“学习强国”学习平台登载的相关内容整编。

）
9期（3—6年级）Copyright ©博看网. All Rights Reserved.。

形状记忆聚合物的工作机制和制备方法总结形状记忆聚合物（Shape Memory Polymers，SMPs）是一类具有特殊功能的聚合物材料，其工作机制基于材料内部的结构转变和记忆效应。

本文对形状记忆聚合物的工作机制和制备方法进行总结。

工作机制形状记忆聚合物的工作机制基于两个主要过程：相变和弹性恢复。

相变是指材料在特定温度下经历结构转变，例如从固态到可塑性状态。

弹性恢复是指材料恢复其原始形状和尺寸的能力。

形状记忆聚合物主要分为两种类型：热敏型和光敏型。

热敏型SMPs的相变基于材料内部结构的重新排列，而光敏型SMPs则依赖于光照引发的光化学反应。

这些相变过程可以通过合适的温度或光照条件进行控制。

制备方法形状记忆聚合物的制备方法多种多样，常见的制备方法如下：1. 聚合法：通过聚合反应合成形状记忆聚合物。

可以采用单体聚合、共聚合等方法，根据所需特性选择不同的单体和反应条件。

2. 交联法：通过交联聚合将线性聚合物形成三维网络结构，提高材料的力学性能和形状记忆功能。

3. 混炼法：将形状记忆聚合物与其他材料混合，例如与纳米材料、填料等进行复合，以改善材料的性能和功能。

4. 添加物法：通过添加特定添加剂，如交联剂、溶剂、催化剂等，改变形状记忆聚合物的特性和性能。

以上是一些常见的形状记忆聚合物的制备方法，根据具体需求和应用场景的不同，还可以采用其他制备方法。

总结而言，形状记忆聚合物是一类具有特殊功能的聚合物材料，其工作机制基于相变和弹性恢复。

制备方法多种多样，包括聚合法、交联法、混炼法和添加物法等。

根据具体需求和应用场景的不同，选择合适的工作机制和制备方法，可以制备出功能优良的形状记忆聚合物材料。

形状记忆聚合物及其多功能复合材料形状记忆聚合物及其多功能复合材料形状记忆聚合物（shape memory polymers，SMPs）是一种聚合物材料，具有特殊的自修复能力和形状记忆特性。

SMPs的基本特征是具有两种形态：一种是高温下的一种形态，是低弹性模量和高分子链密度的形态；另一种是低温下的一种形态，是高弹性模量和低分子链密度的形态。

SMPs的自修复能力是指在破坏或变形后，该材料可以通过热处理或其他方式恢复原来的形状和性能。

这种自修复能力使得SMPs在医学和航空航天等领域具有广泛的应用前景。

例如，SMPs可以用作医学中的生物医学材料，如微型支架、人工骨骼等，也可以用于制作机器人或机械手等。

SMPs的形状记忆特性是指该材料可以在一定的温度范围内，从一种形态转变为另一种形态，然后随着温度的变化再次恢复原来的形状。

这种形状记忆特性使得SMPs在多种领域具有重要的应用。

例如，SMPs可以用于制作自适应材料，在不同的环境中改变形状，在安全和保护等方面具有良好的应用前景。

在多功能复合材料中，SMPs可以与其他材料相结合，形成一种多功能的复合材料。

这种复合材料具有SMPs的形状记忆特性和其他材料的特点，如导电性、抗菌性和阻燃性等。

例如，SMPs可以与碳纤维相结合，形成一种具有形状记忆特性的复合材料，具有先进的机械性能和良好的导电性能，可以用于制作太空船的结构材料。

总之，形状记忆聚合物及其多功能复合材料在医学、航空航天等领域具有广泛的应用前景。

随着科技的发展和应用的不断推广，形状记忆聚合物及其复合材料将会更加完善和多样化，为我们的生活带来更多的便利和创新。

收稿日期:2004210214;修改稿收到日期:2004211228。

作者简介:姜敏,女,1972年生,湖北公安人,湖北工业大学高分子材料专业硕士研究生,主要研究领域为高分子材料、复合材料研究与开发。

综　述形状记忆聚合物研究现状与发展姜敏　彭少贤　郦华兴(湖北工业大学,武汉,430068) 摘要:讨论了形状记忆聚合物的类型和特点,综述了聚氨酯、交联聚乙烯、反式1,42聚异戊二烯等形状记忆聚合物的研究进展,分析了形状记忆聚合物的形状记忆机理及其应用,并提出了存在的问题。

关键词:　形状记忆　聚合物　机理　述评 自1960年美国海军试验室Bucher 等人首次发现镍钛合金中的形状记忆效应以来,形状记忆材料在世界范围内引起了广泛的关注,且其研究取得了巨大的进展。

所谓“形状记忆”是指具有初始形状的制品经形变固定之后,通过热能、光能、电能等物理因素以及酸碱度、相转变反应和螯合反应等化学因素为刺激手段的处理又可使其恢复初始形状的现象。

形状记忆材料包括形状记忆合金(SMA ),形状记忆陶瓷(SMC )和形状记忆聚合物(SM P )[1]。

其中形状记忆合金,目前在基础研究和应用开发研究方面取得了巨大进展,并已在航空、航天、医学、工程及人们日常生活领域中得到了广泛的应用。

然而形状记忆聚合物在1984年才取得第一个专利,但由于其具有变形量大,赋形容易,形状响应温度便于调整,且还有保温、绝缘性能好、不锈蚀、易着色、可印刷、质轻价廉等特点,都是SMA 所无法比拟的,因而,SM P 以后来者居上的身份成为目前热门的功能材料之一。

1　SMP 的研究进展世界上第1种SM P 是法国的Cdf Chime 公司(即现在的Orkem 公司)于1984年开发的聚降冰片烯。

日本的杰昂( )公司购买这项制造专利后,在进一步的研究中发现了它的形状记忆功能[2]。

目前已工业化生产和实际应用,商品名为NORSO EX 。

近年来,SMP 在国外发展很快,尤其是日本,目前已有多家公司拥有工业化应用的固体粉末(或颗粒)SMP 生产技术。