科普 | 形状记忆聚合物

形状记忆聚合物作为一种新型智能聚合物材料，能在外界环境条件（温度、光、电、磁、溶液等）变化的刺激下，实现材料和结构的形状回复，具有形状记忆特性、自锁定特性和变刚度特性。由发现至今，国内外学者发展了多种不同形状记忆聚合物材料以满足应用需求，包括：环氧，苯乙烯，氰酸酯，聚酰亚胺，聚乙烯，聚苯乙烯，聚丙烯酰胺等。通过将各种纤维及颗粒作为增强体掺杂到聚合物材料中，制备出形状记忆聚合物复合材料(Shape Memory Polymer Composite, SMPC)，可提高材料刚度和恢复力。形状记忆聚合物及其复合材料已经被应用于航空航天、生物医学、智能制造、仿生学、纺织和结构工程等领域。

形状记忆聚合物记忆变形过程 (a)纯SMP，(b)玻璃纤维增强SMP复合材料

基于形状记忆聚合物及其复合材料的空间可展开结构。研究人员制造了可展开铰链、桁架、天线和释放机构等空间可展开结构，具有重量轻、可大尺寸成型、可靠性高、展开稳定性好等优点。

基于形状记忆聚合物复合材料的铰链结构

基于形状记忆聚合物复合材料的可变形机翼的蒙皮结构。利用材料的变刚度特性，满足可变形蒙皮结构变形/承载一体化的矛盾问题，即形状记忆聚合物复合材料在低温时刚度较高(呈玻璃态)，可以承受气动载荷；而在高温时刚度大幅降低(呈橡胶态)，可以实现变形。将形状记忆聚合物复合材料蒙皮，用于可变形后缘机翼结构、折叠机翼结构、变翼尖机翼结构等变形结构缝隙，可以保证机翼表面光滑连续，对改善机翼气动性能，使飞机适应不同速域，提高飞机综合性能。

基于形状记忆聚合物复合材料蒙皮的机翼结构展开过程

利用形状记忆聚合物还可以制作复杂轮廓的可变形的智能模具等，用于成型复杂复合材料结构件的智能制造，具有复杂构型成型、脱模容易、重复使用等特点。智能模具借助形状记忆聚合物的形状记忆效应，在先固化形状记忆聚合物原始模具；随后将原始模具在阴模中加热，充气膨胀成型目标模具；在目标模具外通过缠绕-固化成型复合材料结构件；最后通过加热回复使目标模具恢复到原始模具状态，实现快速脱模。形状记忆聚合物还可以用来制作各种医疗器械，例如可生物降解的形状记忆聚合物外科手术缝合线、心脏支架、血栓清除器、外骨骼固定装置等。