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哈工大冷勁松院士團(tuán)隊 Small：從彈性到剛性可調(diào)節(jié)的、可自修復(fù)的形狀記憶雙馬來酰亞胺材料

2023-11-30 來源：高分子科技

形狀記憶聚合物（SMPs）是一種能夠在外部激勵下主動變形的智能材料，具有變剛度、可編程和自我感知等特性，并且其行為類似于生命的智能反應(yīng)，在許多領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值。近日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)冷勁松院士團(tuán)隊在《Small》上發(fā)表了題為《A Tailorable Series of Elastomeric-To-Rigid, Selfhealale, Shape Memory Bismaleimide》的研究論文，博士生李悅嘉為第一作者，冷勁松院士和張風(fēng)華副研究員為共同通訊作者。論文報道了一種熱固性雙馬來酰亞胺材料，該材料具有形狀記憶性能、彈性到剛性的可調(diào)節(jié)性能、自修復(fù)和再加工功能。

作者開發(fā)了一種雙馬來酰亞胺形狀記憶材料，通過引入混合醚分子、二胺分子、二硫鍵，從而實現(xiàn)形狀記憶性能、彈性到剛性的可調(diào)節(jié)性能、熱固性材料的自修復(fù)和再加工功能。利用威廉姆遜反應(yīng)，制備端基為烯鍵的混合醚分子，再通過該分子與雙馬反應(yīng)時產(chǎn)生的空間位阻效應(yīng)，將這些分子與馬來酰亞胺之間的反應(yīng)限制在一次發(fā)生，得到具有形狀記憶效應(yīng)的材料，材料的形狀固定率和回復(fù)率分別可達(dá)99.4%和95.8%。通過引入二元胺引發(fā)馬來酰亞胺基團(tuán)二次反應(yīng)，實現(xiàn)同系列材料506倍的靜態(tài)模量變化、66倍的動態(tài)模量變化、153℃的T_g變化（圖1）。將不同的材料組合在一起的結(jié)構(gòu)可以在不同溫度下分別進(jìn)行變形的過程（圖2）。通過引入二硫鍵，實現(xiàn)熱固性材料的自修復(fù)、可重塑功能（圖3），具體地，它實現(xiàn)了93.2%的模量和90.1%的斷裂伸長率的愈合效率。本文設(shè)計研制的形狀記憶雙馬來酰亞胺材料為未來航天領(lǐng)域可展開結(jié)構(gòu)的回收再利用提供了可能（圖4）。

圖1. SMPs的力學(xué)性能：（a）不同D400比利材料的DMA存儲模量-溫度曲線；（b）DMA Tanδ- SMPs的T曲線；（c）DPS1 - DPS5的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線；（d）模量、強(qiáng)度、斷裂伸長率數(shù)據(jù)（坐標(biāo)軸標(biāo)尺為指數(shù)）。

圖2. 四種材料組成的結(jié)構(gòu)在四種溫度下依次經(jīng)歷形狀記憶循環(huán)的過程：（a）四種材料在室溫下組成的臨時結(jié)構(gòu)；（b）-（e）：分別在48℃、78℃、108℃、148℃四種溫度下變形后的結(jié)構(gòu)。（a）和（e）之間的照片顯示了主動變形的過程。從（e）到（a）是形狀固定的過程。

圖3.（a）拉伸試樣截面自修復(fù)過程中二硫鍵的變化；（b）修復(fù)后的smp與原始smp的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線；（c）-（l）SMPs自修復(fù)過程顯微圖；（c）、（d）：自修復(fù)前后DPS5圖；（e）、（f）：自修復(fù)前后DPS4圖；（g）、（h）：DPS3自修復(fù)前后曲線圖；（i）、（j）：自修復(fù)前后DPS2圖；（k）、（l）：DPS1自修復(fù)前后的圖。

圖4.（a）可重塑形狀記憶雙馬來酰亞胺空間站結(jié)構(gòu)應(yīng)用示意圖、損壞后的回收過程、重塑后的形狀記憶過程；（b）、（c）DPS5重塑前后的照片；（d）DPS5重塑蝴蝶結(jié)結(jié)構(gòu)的變形過程。

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(tuán)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(fù)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(jī)構(gòu)等智能結(jié)構(gòu) (Chemical Engineering Journal, 2023, 457, 141282; 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(xué)性能可調(diào)節(jié)、可重構(gòu)的拉脹力學(xué)超材料和像素力學(xué)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(tuán)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(jī)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(fù)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/smll.202307244

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（責(zé)任編輯：xu）

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