形状记忆纤维增强复合材料的制备与性能研究

哈尔滨工业大学科技成果——形状记忆聚合物及其
复合材料
主要研究内容基于形状记忆聚合物的低成本、质量轻、形变量大、良好的生物相容性、生物降解吸收性、易驱动和性能可控等一系列优异性能，研制出多种不同相变温度的形状记忆聚合物材料，提出了适合不同领域应用的形状记忆聚合物多种驱动方法；同时通过将形状记忆聚合物与其他材料复合，开发了医学、航空和航天领域的应用，取得了很好的研究效果，技术水平达到国际先进水平，技术成熟可以大范围推广。

碳纤维增强的环氧形状记忆复合材料铰链展开过程主要应用形状记忆聚合物智能生物材料可用于血栓清除器，骨组织固定器件、手术缝合线、药物定点释放、和心脏血管支架等医学领域；形状记忆聚合物复合材料可用于可展开天线、可展开桁架、变形机翼等航空、航天复合材料结构。

主要技术指标研制玻璃化转变温度为30-300℃的形状记忆聚合物；所研制的形状记忆聚合物回复率达97%以上。

形状记忆功能高分子材料的研究现状和进展Value Engineering0引言随着社会的进步和科学技术的发展，一般的材料难以满足日益复杂的环境，因此需要具有自修复功能的智能材料———形状记忆材料。

20世纪50年代以来，各国相继研究出在外加刺激的条件（如光、电、热、化学、机械等）经过形变可以回复到原始形状的具有形状记忆功能的材料，它可分为三大类，形状记忆合金、形状记忆陶瓷和形状记忆聚合物材料。

高分子产业的迅速发展，推动了功能高分子材料得到了蓬勃发展。

形状记忆聚合物材料的独特性，广泛应用于很多领域并发展潜力巨大，人们开始广泛关注[1]。

1功能高分子材料研究概况功能高分子材料是20世纪60年代的新兴学科，是渗透到电子、生物、能源等领域后开发涌现出的新材料。

由于它的内容丰富、品种繁多、发展迅速，成为新技术革命不可或缺的关键材料，对社会的生活将产生巨大影响。

1.1功能高分子材料的介绍功能高分子材料是指具有传递、转换或贮存物质、能量和信息作用的高分子及其复合材料，或具体地指在原有力学性能的基础上，还具有化学反应活性、光敏性、导电性、催化性、生物相容性、药理性、选择分离性、能量转换性、磁性等功能的高分子及其复合材料，通常也可简称为功能高分子，也可称为精细高分子或特种高分子[2]。

1.2功能高分子材料分类可分为两类：第一类：以原高分子材料为基础上进行改性或其他方法，使其成为具有人们所需要的且各项性能更好的高分子材料；第二类：是具有新型特殊功能的高分子材料[3]。

1.3形状记忆功能高分子材料自19世纪80年代发现热致形状记忆高分子材料[4]，人们开始广泛关注作为功能材料的一个分支———形状记忆功能高分子材料。

和其它功能材料相比的特点：首先，原料充足，形变量大，质量轻，易包装和运输，价格便宜，仅是金属形状记忆合金的1％；第二，制作工艺方简便；形状记忆回复温度范围宽，而且容易加工，易制成结构复杂的异型品，能耗低；第三，耐候性，介电性能和保温效果良好。

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。

纤维原料的形状记忆与形状变化纤维原料的形状记忆与形状变化是材料科学领域中的一个重要研究方向，尤其在高性能材料和智能材料的研究中占据着重要地位。

纤维原料的形状记忆是指纤维材料在一定条件下能够恢复到其原始形状的能力，而形状变化则是指纤维材料在外力作用下能够发生塑性变形的能力。

本文将从纤维原料的形状记忆与形状变化的基本原理、影响因素以及应用等方面进行详细探讨。

一、纤维原料的形状记忆原理纤维原料的形状记忆能力主要源于其分子结构和分子间相互作用的特点。

对于聚合物纤维原料来说，其形状记忆能力主要与其链段的刚性和柔韧性有关。

刚性链段使得纤维原料在受到外力作用时能够保持稳定的形状，而柔韧性链段则使得纤维原料在外力作用下能够发生塑性变形。

此外，纤维原料的形状记忆能力还与其分子排列和结晶度等因素有关。

二、纤维原料的形状变化原理纤维原料的形状变化能力主要与其塑性变形机制有关。

在外力作用下，纤维原料的分子链可以发生滑动和重新排列，从而导致纤维原料的形状发生变化。

这种塑性变形通常是不可逆的，即一旦去除外力，纤维原料无法恢复到原始形状。

然而，通过特殊的处理方法，如加热或化学处理，可以使得纤维原料发生可逆的形状变化，从而使其具有形状记忆能力。

三、影响纤维原料形状记忆与形状变化的因素纤维原料的形状记忆与形状变化能力受到多种因素的影响，包括分子结构、分子间相互作用、结晶度、温度、应力等。

分子结构的刚性和柔韧性决定了纤维原料的形状记忆能力，而分子间相互作用则影响了纤维原料的形状变化能力。

结晶度的高低也会对纤维原料的形状记忆与形状变化能力产生影响，通常结晶度越高，形状记忆能力越强。

此外，温度和应力的大小也会影响纤维原料的形状记忆与形状变化能力。

四、纤维原料形状记忆与形状变化的应用纤维原料的形状记忆与形状变化能力在许多领域中有着广泛的应用。

例如，在纺织行业中，利用纤维原料的形状记忆能力可以制造出具有自整理功能的纺织品。

在生物医学领域，纤维原料的形状记忆能力可以用于制造智能支架和药物释放系统。

专论·综述 合成橡胶工业，２０２０－１１－１５，４３（６）：５０９～５１３ＣＨＩＮＡＳＹＮＴＨＥＴＩＣＲＵＢＢＥＲＩＮＤＵＳＴＲＹ杜仲胶形状记忆复合材料研究进展杨丰诚，王　琦，刘勋聪，夏　琳（青岛科技大学高分子科学与工程学院／橡塑材料与工程教育部重点实验室，山东青岛２６６０４２） 摘要：综述了杜仲胶（ＥＵＧ）形状记忆材料的研究进展，介绍了ＥＵＧ形状记忆材料的形状记忆效应机理及制备方法，分析了石墨烯、碳纤维、炭黑等增强体系及聚乙烯、聚丙烯等共混体系对ＥＵＧ形状记忆性能的影响，并提出了今后的研究方向。

关键词：反式－１，４－聚异戊二烯；形状记忆聚合物；杜仲胶；增强体系；共混物 中图分类号：ＴＱ３３２．２ 文献标志码：Ａ 文章编号：１０００－１２５５（２０２０）０６－０５０９－０５ 形状记忆聚合物（ＳＭＰ）是一类集感知和驱动于一体的新型智能材料，可以感知外部环境（如热、光、电、磁、溶剂、水、ｐＨ值、金属离子等）的刺激，然后通过改变自身的状态参数（如形状、应力和应变等）以响应刺激，并回复至预先设定的初始状态［１］。

与形状记忆合金和形状记忆陶瓷相比，ＳＭＰ具有形状回复率高［２］、响应温度低［３］、成本低廉、加工性能和成型性能优异［４］及易于改性［５］等诸多优势，在汽车、电子、航空航天、医疗设备等领域中具有十分广阔的应用前景，成为智能材料研究、开发和应用的一个新热点［６］。

杜仲胶（ＥＵＧ）按其来源可分为天然ＥＵＧ和合成ＥＵＧ。

天然ＥＵＧ主要源自杜仲植物，在杜仲树皮、树叶及翅果中加入有机溶剂经萃取可得到天然ＥＵＧ；合成ＥＵＧ是一种具有形状记忆特性的新型合成橡胶，主要组分为反式－１，４－聚异戊二烯（ＴＰＩ）。

与其他硫化橡胶相比，ＥＵＧ显著的特点是具有优异的抗疲劳性、较小的滚动阻力、较低的动态发热量和较好的耐磨性［７－８］；与其他ＳＭＰ相比，ＥＵＧ具有变形恢复能力强及转变温度易控的独特优势［９－１０］。

然而，ＥＵＧ作为ＳＭＰ在应用过程中机械强度相对较弱，从而在很大程度上限制了其应用。

形状记忆合金材料的研究现状及未来前景近年来，形状记忆合金（Shape Memory Alloys，SMA）由于其独特的形状记忆效应和超弹性性能被广泛关注，并在智能材料、航空航天、生物医学等领域得到广泛应用。

本文将对形状记忆合金材料的研究现状及未来前景进行探讨。

一、形状记忆合金的定义和性质形状记忆合金是一种可以通过温度、应力等外界作用，实现形状记忆效应和超弹性性能的合金材料。

其最为独特的性质是具有记忆功能，即在特定的外力作用下，可以发生永久形状的改变，然而一旦去掉外力作用，它又能回到原有的形状。

这种记忆效应的发生和消失又称为相变。

此外，形状记忆合金还具有超弹性性能，即在外力作用下能够发生大变形，但当去掉外力后又能恢复到原来的形状，这种性质使它成为一种优良的智能材料。

二、形状记忆合金的研究现状自上世纪50年代以来，随着形状记忆合金的不断发展，人们对其进行了大量的研究。

目前国内外研究的重点主要集中在以下几个方面：1、形状记忆合金的制备与加工形状记忆合金是一种多功能复合材料，由于其自身的记忆和高弹性性能，以及其化学稳定性和防腐能力等，使其成为制造各种机械和电器设备的理想材料。

因此，制备和加工成为了重要的研究方向。

现阶段，形状记忆合金的制备方法主要包括粉末冶金、熔融法、溶液分解-沉淀法等。

其中，粉末冶金是最成熟的制备方法，在制备形状记忆合金时，一般采用惯性摩擦焊、冷轧板等加工成型方式。

2、形状记忆合金的相变机理形状记忆合金的相变机理是产生记忆效应的关键因素。

现阶段，研究相变机理主要有两个方向：一是基于电子和晶体缺陷的相变机理，主要是探讨相变过程中电子和晶体缺陷的变化情况，包括离子扩散、漂移等；另一种是基于热力学的相变机理，主要是以热力学概念来研究SMA的相变。

3、形状记忆合金的应用形状记忆合金的应用有非常广泛的领域，包括生物医学、航空航天、汽车制造、机械制造、建筑工程等领域。

其中，最具代表性的应用就是在生物医学领域，如心脏支架、口腔矫治器，还有智能材料领域，如智能织物、智能机器人等。

形状记忆基聚合物复合材料的研究进展
王坤;朱光明
【期刊名称】《材料导报》
【年(卷),期】2012(026)001
【摘要】形状记忆聚合物是一种新型智能材料,广泛应用于医疗和航天领域.但是传统的形状记忆聚合物由于力学强度低、形变回复力小等缺点使其发展应用受到限制.主要介绍了以各种形状记忆聚合物为基体,添加增强填料来制备形状记忆聚合物复合材料,并且描述了复合材料的形状记忆效应与力学性能和填料的体积分数或质量分数之间的关系,以及形状记忆聚合物复合材料的应用领域与前景.
【总页数】4页(P12-15)
【作者】王坤;朱光明
【作者单位】西北工业大学应用化学系,西安710072;西北工业大学应用化学系,西安710072
【正文语种】中文
【相关文献】
1.电致驱动巴基纸/形状记忆聚合物复合材料性能 [J], 张阿樱;吕海宝
2.形状记忆聚合物复合材料可展开结构的研究进展 [J], 任天宁;朱光明;聂晶
3.电驱动形状记忆聚合物复合材料研究进展 [J], 王欢;李文晓;房光强
4.基于形状记忆聚合物复合材料航天航空可变形结构技术研究进展 [J], 赵伟;刘立武;孙健;冷劲松;刘彦菊
5.形状记忆聚合物复合材料的研究进展 [J], 刘婷婷;朱光明;魏堃;王永坤;宋蕊
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铁基形状记忆合金的合成与性能研究在现代材料科学领域，形状记忆合金一直备受研究者们的关注。

其独特的性能和应用潜力使得形状记忆合金成为了不可忽视的材料类别之一。

其中，铁基形状记忆合金凭借其良好的可塑性、高韧性以及充裕的资源优势，受到了广泛关注。

铁基形状记忆合金的合成是研究者们关注的重点之一。

传统的铁基形状记忆合金合成方法主要有粉末冶金法和熔融法两种。

粉末冶金法通过合金化合物进行粉末合金的压制和烧结，可以制备出具有优异性能的铁基形状记忆合金。

而熔融法则是将合金元素熔融后快速冷却，形成非晶相或亚晶相的样品，然后通过后续的热处理使其结晶转变为形状记忆相。

这两种方法各有优缺点，但都为铁基形状记忆合金的合成提供了有效的途径。

铁基形状记忆合金的性能研究是合成研究的延伸和拓展。

形状记忆效应是铁基形状记忆合金最为重要的性能之一。

通过触发外界刺激，如温度、应力等，铁基形状记忆合金可以发生可逆的形状改变。

这一特性使得铁基形状记忆合金在机械、电子等领域有着广泛的应用前景。

此外，铁基形状记忆合金还具有独特的磁性和耐蚀性能，这使得其在医学、航空航天等领域有着广泛的应用前景。

为了提高铁基形状记忆合金的性能，研究者们不断进行改进和创新。

其中，微合金化技术是铁基形状记忆合金改性的重要手段之一。

通过添加微量的合金元素，如镍、铜、铝等，可以改善铁基形状记忆合金的力学性能和耐蚀性能。

同时，研究者们还致力于探索新型的合成方法和材料结构，以进一步提高铁基形状记忆合金的性能。

除了改进合金本身的性能外，研究者们还关注铁基形状记忆合金与其他材料的组合应用。

例如，将铁基形状记忆合金与聚合物复合材料相结合，可以有效提高复合材料的强度和韧性。

此外，与陶瓷、金属等材料的复合应用也具有良好的应用前景。

这些复合材料的研究不仅可以拓展铁基形状记忆合金的应用领域，还有助于理解其在复杂环境中的性能表现和相互作用机制。

总之，铁基形状记忆合金是一类备受关注的材料，其合成和性能研究始终是材料科学领域的热点。