鄭州大學上媛媛/北京大學曹安源團隊 Adv. Sci：具有高致動應(yīng)力和預設(shè)計形狀變化的復合纖維
2024-08-16 來源：高分子科技
輸出應(yīng)力是衡量形狀記憶聚合物性能的重要參數(shù)。基于形狀記憶聚合物和含有納米材料添加劑的復合材料的致動器已被廣泛研究。然而采用低成本材料和可擴展制造工藝開發(fā)多功能驅(qū)動器結(jié)構(gòu)是非常必要的。特別是對于SMP基復合薄膜或纖維，其驅(qū)動性能和變形能力需要進行優(yōu)化和集成，包括納米填料的關(guān)鍵作用在內(nèi)的機理需要深入分析。
圖1：PU/CNT復合纖維的制備
圖2：PU/CNT復合纖維力學性能及碳納米管作用的分析
圖3：PU/CNT纖維的熱致動性能
原始 PU/CNT 纖維中的各向異性 CNT 呈隨機排列。當拉伸到一定應(yīng)變時，CNT 和聚合物鏈會隨應(yīng)變移動，聚合物鏈段之間的部分氫鍵會形成并固定，從而導致暫時的拉伸固定狀態(tài)。當施加熱刺激使分子鏈之間的氫鍵解離時，纖維內(nèi)部的應(yīng)力被釋放，內(nèi)部 CNT 和聚合物鏈恢復到原來的無序狀態(tài)。碳納米管的導電網(wǎng)絡(luò)使它可以在熱/電兩種致動模式下工作，熱致動提供了高的驅(qū)動應(yīng)力(33 MPa)，快速的響應(yīng)(360 ms)，以及高達56.3%的致動應(yīng)變。通過利用滲透的碳納米管網(wǎng)絡(luò)傳遞到周圍的PU基體的焦耳熱，復合纖維可以進行電致動，且達到了22 MPa的致動應(yīng)力。
圖4：PU/CNT復合纖維在電致動提升重物和預設(shè)計形狀記憶的演示。
此外，不同于傳統(tǒng)的形狀記憶聚合物，由于PU/CNT纖維在室溫下拉伸時形成動態(tài)鍵連接，因此無需高溫刺激即可實現(xiàn)形狀變化。于是在纖維應(yīng)變線性恢復的基礎(chǔ)上，又進一步探究了多維形狀的形狀記憶（圖6）。熱處理過程中纖維被設(shè)計成多維度的自支撐結(jié)構(gòu)，在外界刺激下（熱/電）可以進行可控的空間變形。圖中松樹，繩圈，小房子，彈簧，花朵，折疊結(jié)構(gòu)的形狀記憶說明了PU/CNT復合纖維在一維(應(yīng)變)、二維和三維空間中均具有快速響應(yīng)的形狀恢復特性。
原文鏈接：http://doi.org/10.1002/advs.202404913
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（責任編輯：xu）
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