形状记忆高分子材料性能评价的分子模拟研究
形状记忆高分子材料
4.1 存在的问题
在SMA 的研究和应用中,目前尚存在许多有待解决的问题,例如: (1) 由亍SMA 的各种功能均依赖亍马氏体相变,需要不断对其加热、冷 却及加载、卸载,且材料变化具有迟滞性,因此SMA 只适用亍低频(10Hz 以下)窄带振劢中,这就大大限制了材料的应用。 (2) SMA 自身存在损伤和裂纹等缺陷,如何兊服这些缺陷,改善材料性能 是当前迫切需要解决的问题。 (3) 现有的SMA 机构模型在实际工程应用中都还存在一些缺陷,如何兊 服这些缺点,从而精确地模拟出SMA 的材料行为也是一个需要研究的重 要课题; (4) 在医学应用方面,还需继续研究SMA 的生物相容性和细胞毒性。 (5) SMA 作为一种新型功能材料,其加工和制备工艺较难控制,目前还没 有形成一条SMA 自劢生产线,此外材料成本也相当昂贵。 (6) 为了提高应用水平,SMA 元器件还需要迚一步微型化,提高反应速度 和控制精度,在这方面仍有许多工作要做。
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除了目前的用途外，形状记忆高分子材料期望在更多领 域开辟其潜在的用途：第一，土木建筑，如固定铆钉、空隙 密封、异径管连接等；第二，机械制造，如自劢启闭阀门、 热收缩管、防音辊、防震器、连接装置、衬里材料、缓冲器 等；第三，电子通讯，如电子集束管、电磁屏蔽材料、光记 录媒体、电缆防水接头等；第四，印刷包装，如热收缩薄膜、 夹层覆盖、商标等；第五，医疗卫生，如人工假肢套、绷带、 夹板、矫形材料、扩张血管、四肢模型材料等；第六，日常 用品，如便携式餐具、头套、人造花、领带、衬衣领、包装 材料等；第七，文体娱乐，如文具、教具、玩具、体育保护 器材；第八，科学试验，如大变形的应变片；第九，其他， 如商品识伪、火灾报警、口香糖基料、服装定型剂、丝绸印 染剂、用亍机械零件模拟实验（作矿井柔性支架）等。相信 未来形状记忆高分子材料会更好地为我们服务。
形状记忆高分子材料研究进展(综述)
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。
形状记忆功能高分子材料的研究现状和进展
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。
第五十二讲 形状记忆聚氨酯高分子材料的研究进展
玻璃 纤维 与形状记忆 聚氨 酯复合 改性可 以增 强材 料 的综合性 能，Ｔ ｋ ｒ ｈ ｉ 等用不 同质量 的玻璃 纤 ａｅｕＯ ｋ［ １ 卅 维（ １ Ｓ Ｕ进行 复合 改性 ，制各 了一 系列不 同玻 ＧＦ与 ＭＰ
璃 纤维含 量 的Ｓ Ｕ。对 该材 料 的机 械性 能与形状 记 ＭＰ 忆 效果进行 了研 究 ，结果 显示 ，由于加 入纤维 的增 强 作用 ，复合材料 的拉伸 强度 ，耐疲劳性都得 到提 高。
化转 变温度来 改变 。该材 料在生物 降解时具有两个 阶 实 验证 明加 入质 量 分数 为１ ％ ～ ０ ０ ２ ％的ＧＦ 可使 段 即滞后期和 快速 降解 期，在滞后期 阶段仍 可使材料 Ｓ Ｕ有极小 的残余应 变 ，对 于形状 回复效果 而言 ， ＭＰ 的机械 性能保 持稳定 ，这种 降解 的特 点符合 医保材 料 与 回复时 问相 比较温 度是一个 更显著 的因素，用不 同 的要 求 。 含量Ｇ ￣ 备 的复合材料能保持优 良的形状记忆效果 。 ＦＩ Ｊ 在合 成形状记忆 聚氨酯 的过程 中可 以通 过化学 交 纳米粒 子有 比较 高的反应活 性 ，很容 易与聚合物 联 的方法引入 交联点 ，但是 交联点不 宜过大 ，过大 会 达到分 子水平上 的结合 ，能够提 高复合材料 的韧性 、 导致 强度大反而使材 料 失去 形状 记忆功 能。喻春红 ＿ 力学性 能等 ，因而 可 以作 为Ｓ Ｕ的复合 改性材 料 。 １ ］ ＭＰ 用聚 己二酸 乙丙二醇酯 、聚 己二酸丁 二醇酯 、聚 己内 陈 少军 ［ 等 先对 纳 米 ＳＯ， 子 用钛 酸 酯偶 联 剂进 行 １ ｉ 粒 酯和４ ’二苯基 甲烷 二异氰酸酯 为原料 ， 以丙三醇 为 表面处 理 ，然 后在合 成Ｓ Ｕ的过程 中加 入改性 后的 ，． ４ ＭＰ 化学交联剂合成 了一系列具有低度交联 的Ｐ Ｕ，分析 了 ＳＯ， ｉ 粒子 ，制 备 了了纳米 ＳＯ ／ 状记忆聚氨酯 复合材 ｉ， 形 组成 、配 比对其性 能的影响 ，比较 了这些低 度交联 的 料 。用Ｆ Ｉ Ｔ Ｒ、ＤＳ Ｃ、Ｓ Ｍ对其进行结构分析和 表征， Ｅ Ｐ Ｕ与 线型Ｐ Ｕ在 性能上 的差异 。结 果显示 软段 结 晶度 研究表 明偶联剂 的用量为 纳米粒 子质 量 的８ ％时才 能 ０ 高的聚氨 酯具有优 良的体温形状 记忆性能 ，软段 的组 有效包敷好纳米粒子 ，只有包 敷好的纳米粒子， 能提 才 成、配 比对 聚氨酯形状 记忆功 能的影 响是 比较大 的， 高Ｓ Ｕ的形状 回复温度及 其力 学性能 ，否则性 能会 ＭＰ 选择 原料 时，尽量选择 室温下 结晶度高 的纯 软段做原 有所 下降 ， 同时偶联剂 的引入对 形状 固定及形 状稳定 】 Ｈ５ ０ 料 。与线 型聚氨酯相 比较 ，力 学性能得到大 幅度 的提 都有一定 的负面作用 。朱荟【 等将 经过Ｋ ５ 表 面处
高分子材料形状记忆性能研究报告
高分子材料形状记忆性能研究报告摘要：本研究报告旨在对高分子材料的形状记忆性能进行深入研究。
通过实验和分析，我们探讨了高分子材料形状记忆性能的机制、特性以及应用前景。
研究结果表明，高分子材料的形状记忆性能在多个领域具有广泛的应用潜力。
1. 引言高分子材料作为一种重要的材料类别，具有广泛的应用领域。
其中，形状记忆性能是高分子材料的一项重要特性，其能够在外界刺激下恢复到其原始形状。
形状记忆材料的研究对于开发智能材料和制造可调控结构具有重要意义。
2. 形状记忆性能的机制高分子材料的形状记忆性能主要基于其特殊的结构和性质。
通过控制高分子链的交联程度和取向，可以实现形状记忆效应。
形状记忆材料的形状转变通常发生在两个阶段，即相变和恢复。
相变阶段是通过外界刺激引发高分子材料结构的改变，而恢复阶段则是通过内部能量释放实现形状恢复。
3. 形状记忆材料的特性形状记忆材料具有多种特性，包括形状记忆效应、可逆性、稳定性等。
形状记忆效应是指材料在外界刺激下能够恢复到其原始形状的能力。
可逆性是指形状记忆效应可以多次循环发生，而不会损害材料的性能。
稳定性是指形状记忆效应在长期使用和环境变化下的稳定性能。
4. 形状记忆材料的应用前景形状记忆材料在多个领域具有广泛的应用前景。
在医学领域，形状记忆材料可以应用于支架、缝合线和药物释放系统等。
在航空航天领域，形状记忆材料可以用于制造可调控结构和自修复材料。
在纺织品领域，形状记忆材料可以用于制造具有变形功能的服装和纺织品。
5. 结论通过对高分子材料形状记忆性能的研究，我们得出了以下结论：高分子材料的形状记忆性能在多个领域具有广泛的应用潜力；形状记忆材料的机制主要基于其特殊的结构和性质；形状记忆材料具有形状记忆效应、可逆性和稳定性等特性。
我们相信，进一步的研究和开发将推动形状记忆材料在各个领域的应用和发展。
致谢：感谢所有参与本研究的人员和机构的支持和帮助。
附录：本研究所使用的实验方法和数据详见附录部分。
具有形状记忆功能的高分子材料研究
具有形状记忆功能的高分子材料研究随着科技的不断进步，人们对材料的需求也越来越高。
而其中一种备受关注的材料就是具有形状记忆功能的高分子材料。
形状记忆是指材料能够根据外界刺激或者内部条件，自主改变自身形状，并在刺激消失后回复到最初的形态。
这种材料的研究在医疗、智能材料和工程领域有着广泛的应用前景。
形状记忆功能的高分子材料的研究始于二十世纪五十年代，当时的科研工作者开始对具有嵌段结构的聚合物进行研究。
随后，研究人员发现，在这些聚合物中，具有相干结构的片段能够形成物理交联点，从而赋予材料形状记忆功能。
这种交联点可以通过加热或者其他方式来打破，使材料恢复到初始形状。
这项研究成果引起了广泛关注，并在此后的几十年里得到了持续的探索和发展。
目前，研究人员主要专注于两种形状记忆高分子材料：热致形状记忆材料和光致形状记忆材料。
热致形状记忆材料是最常见的一种，其材料中添加了热塑性嵌段，能够在一定温度范围内发生熔融和再结晶。
这些嵌段之间形成的序列结构使材料具有记忆形状的能力。
当材料被加热到临界温度时，分子链之间的交联点会被打破，材料变得软化，可以任意塑性变形。
当材料冷却后，分子链之间的交联点再次形成，材料恢复到原始状态。
而光致形状记忆材料是一种相对较新的研究领域。
这类材料的形状变化是通过光敏染料的光热效应实现的。
光敏染料可以在特定波长的光照下吸收光能并将其转化为热能。
当材料暴露在特定光照下时，光敏染料吸收的光能会导致局部温度升高，从而改变材料的形状。
而当材料不再受到光照时，温度也会回落，材料恢复到原始形态。
形状记忆高分子材料的应用潜力巨大。
在医疗领域，这种材料可以用于智能药物释放系统。
例如，一种植入体可以被设计成在特定温度下打开，释放药物，并在其他条件下关闭，从而实现精确的药物控释。
这种智能药物释放系统可以减少药物滥用和副作用，提高临床治疗的效果。
在智能材料领域，形状记忆高分子材料可以应用于可穿戴设备和机器人。
这种材料可以通过外界刺激实现形状变化，使得可穿戴设备和机器人能够更加贴合用户的需求和动作。
具有形状记忆功能高分子材料的研究进展
具有形状记忆功能高分子材料的研究进展摘要：本世纪以来，随着高分子合成以及改性技术与高分子学理论的迅猛发展，形状记忆高分子材料正快速地渗透到我们的日常生活中，成为了一种不可或缺的材料。
本文通过查阅相关的文献，对该材料的研究发展过程、应用现状进行综述。
形状记忆高分子材料种类丰富，本文将着重阐述热致型形以及光致型形状记忆高分子材料，最后并进行展望。
关键词：形状记忆，记忆效应，热致型，光致型Abstract：Since the beginning of this century, with the rapid development of polymer synthesis and modification technology and polymer theory, shape memory polymer materials are rapidly infiltrating into our daily life and become an indispensable material.Key words：s hape memory,memory effect,thermal induced polymer，photo induce polymer1 概述1.1 形状记忆高分子材料的概念判断一类高分子材料是否为形状记忆高分子材料，即在于看这类材料是否能产生记忆效应，这是形状记忆高分子材料最核心的本质。
一高分子聚合物在起初被赋予一定的形状后，固定其形状得到它的“初始态”。
随后对其施加一定的外力，让它产生变形，偏离其“初始态”时所固定的形状，而后进行加热、光照、电磁等外界刺激后，此时该高分子聚合物便可回复至“初始态”时的形状，此即为形状记忆高分子材料。
根据外界刺激条件的差异，形状记忆高分子材料可分为热致型、光致型、电感应型、化学感应型等类型，种类和应用技术手段都比较丰富。
[1]形状记忆高分子材料目前在医疗、纺织、军工领域都得到了广泛的运用，已经和我们的生活密切相关，尽管它的发展历史并不是很久远，并且目前在应用过程中也发现了存在着不少问题，但从目前的研究现状来看，该种材料拥有非常大的应用前景，很值得我们继续探索，发挥它最大的潜能。
高分子材料的形状记忆性能研究
高分子材料的形状记忆性能研究形状记忆材料是一类具有特殊性能的材料，在受到外界刺激时能够回复其原有形状。
这一特性在许多领域都有潜在应用，例如医疗、电子、航空航天等。
而高分子材料是一类常见的形状记忆材料，其研究一直备受关注。
本文将探讨高分子材料的形状记忆性能，以及相关研究进展和应用前景。
1. 形状记忆材料的原理形状记忆材料具有两个基本状态：一是其正常状态，也称为高温状态，该状态下材料保持着其所具有的原始形状；二是其特殊状态，也称为低温状态，该状态下材料会发生一定程度的形状变化。
形状记忆材料的形状记忆性能主要依赖于两种基本原理：热致形状记忆效应和应力驱动形状记忆效应。
2. 高分子材料的形状记忆性能高分子材料是一类具有长链结构的聚合物材料，其形状记忆性能主要通过调控其结构和组成来实现。
高分子材料的形状记忆性能可以通过改变温度、应力或其他外界刺激来实现形状的转变和恢复。
具体而言，高分子材料的形状记忆性能可以通过以下几个方面来评价和研究：转变温度、形状记忆率、形状恢复速度和循环稳定性。
3. 影响高分子材料形状记忆性能的因素在研究高分子材料的形状记忆性能时，有许多因素会对其性能产生影响。
其中，材料的结构和组成是最为重要的因素之一。
高分子材料的结构可以通过控制聚合物的交联度、分子量以及交联点的类型和密度来实现对形状记忆性能的调控。
此外，材料的加工方法、处理过程、外界刺激等也会对形状记忆性能产生影响，因此需要对这些因素进行精确控制和研究。
4. 高分子材料形状记忆性能的研究进展高分子材料的形状记忆性能一直备受研究者的关注。
近年来，许多新型材料和制备方法被提出和应用于高分子材料的形状记忆性能研究中。
例如，利用纳米颗粒增强材料的形状记忆性能，通过界面改性增加材料的形状恢复速度等。
这些研究为高分子材料的形状记忆性能提供了新的途径和思路。
5. 高分子材料形状记忆性能的应用前景高分子材料的形状记忆性能在众多领域具有广阔的应用前景。
形状记忆高分子材料的研究进展
圆 圜 圜
图 １ 聚合物形状记忆效应示意图
（ 即聚合物可 以“ 记住” 两个临时形状 “ ４ ］ 。 中科院四川有机化学有 限公司 的丁小斌 、 彭宇行 等制备 了Ｐ ＭＭＡ— Ｐ Ｅ Ｇ ２ ０ ０ ０ 的半互 穿网络 聚合物 ， 实现了一个聚合物具有两个形状恢复温度［ １ ０ 】 。 Ｘ ｉ ｅ 利用一个 较宽 的相转变 ， 成功地使全氟磺酸离聚物（ Ｐ Ｆ Ｓ Ａ） 实现 了三态 、 四态 形状记忆效应［ 】 ， 突破了人们对形状记忆聚合物一个转变过程对 应 个 临时形状 的认知 。 总之 ， 通过化学合成的途径 ， 人们可 以从分子层 面设 计新 型聚 合物 ， 但是需要较深厚的高分子相关专业 的背景知识与很强的实验 技能。
一
一
［ ２ ］ Ｒ ａ ｔ ｎ ａ 。 Ｄ ． ａ ｎ ｄ Ｊ ． Ｋ ａ ｒ ｇ ｅ ｒ —Ｋ ｏ ｃ ｓ ｉ ｓ 。 Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｍ ａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ ｓ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ， ２ ０ ０ ８ ．
４ ３ （ １ ） ： Ｄ ． ２ ５ ４ －２ ６ ９ ．
［ ３ ］ Ｘ ｉ ｅ … Ｔ Ｐ ｏ ｌ ｙ ｍ ｅ ｒ ， ２ ０ １ １ ． ５ ２ （ ２ ２ ） ： ｐ ． ４ ９ ８ ５ —５ ０ ０ ０ ． ［ ４ ］ Ｌ ｅ ｎ ｄ ｌ ｅ ｉ ｎ ． Ａ． ａ ｎ ｄ Ｓ ． Ｋ ｅ Ｉ ｃ ｈ 。 Ａｎ ｇ ｅ ｗａ ｎ ｄ ｔ ｅ Ｃ ｈ ｅｍ ｉ ｅ —Ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ｎ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ
Ｐ ． １ １ ０ ０ －１ １ ０ ４ ．
形状记忆效应最初是在金— 镉合金中发现的。 在１ ９ ６ ２ 年， 又发现 Ｎｉ — Ｔ 冶 金具有形状记忆效 应 ， 其在航天 、 航空方面 的巨大潜在 应 用， 迅速 引起广泛 关注。 形状记忆合金虽然尺寸小、 强度高 ， 但制造 费用高 、 可回复 形变小 、 有毒性 。 而形状记忆聚合物 因加工简单 、 成 本低 、 质量 轻 、 形变量大等优势 ， 得到迅速 发展［ １ 】 。 在１ ９ ８ ４ 年， 法国的Ｃ Ｄ Ｆ Ｃ ｈ ｅ ｍ ｉ ｅ 公司研发 出了第一种形状 记忆 聚合物—— 聚降冰片烯【 ２ 】 。 不久 ， 日 本三菱 重工开发 出了易于调节 软、 硬段结构的形状记 ｝ 乙 聚氨酯材料实现了形状记忆聚合物的商业 化 应用 ［ ３ ｌ 。 形状记忆高分子的机理 可用 图１ 表示 ： 可认 为该 材料 由两相或 者两个组分 组成 。 其一为固定相 ， 其一为可转变相 。 当聚合物受外界 环境刺激（ 女 Ⅱ ， 加热） 时， 可转变相变软 ， 聚合物变形后 ， 处于能稳定存 在 的临时形状 ； 当聚合物再 次受外界刺激后 ， 根据熵增原理 ， 高分子 链 自发蜷缩 ， 从而驱动聚合物 回复初始形状 。 初始形状 由物理交联点或化学交联点决定。 根据可转变相的不 同， 可将材料分为两大类 ： 一类是利用玻璃化转变实现形状记忆 ， 另 类是 利用结 晶相实现形状记 Ｉ ￣ Ｏ ， ２ Ａ ］ 。 基于这个机理 ， 可利用化学 方法合成利用玻璃 化转变Ｉ ｓ ， 日 或 晶体熔融转变（ 如利用Ｐ Ｅ Ｇ 等 ７ ｑ 的 形状记忆高分子材料 。 通常利 用一个转变过程（ 如玻璃化转变或熔融转变 ） ， 可以实现 个临时形状的回复 。 但如果把具有不同转变温度的组分（ 女 口 低熔点 的组分和高玻璃化转变温度 的组分、 两个不同玻璃化转变温度的组 分 等） 通过 共聚形成 共聚物网络， 则可 以实现三态形状记忆聚合物
形状记忆功能高分子材料的研究现状
1 形状记忆功能高分子材料的实验研究 1. 1 反式聚异戊二烯( TPI)
T P I 由异戊二烯反式- 1, 4- 结合而成, 主 链中含双键, 是熔点为 60~ 70 ! 的结晶性聚合 物。T P I 在常态下似硬质树脂, 升温至一定程度 变软。用硫黄或过氧化物交联可得到化学交联结 构, 交联度不同, 其性能也不同, 交联度过高, 其结 晶性就会完全丧失。结晶性和交联度合理匹配, 可得到具有热致形状记忆功能的 T P I[10 ] 。
对分子质量, 从而可呈现形状记忆特征。固定相 为高分子链的缠绕交联, 以玻璃化转变为可逆 相。与其他 SM P 相比, 它具有 4 大特点: ( 1) 分子 内没有极性官能团和一般橡胶具有的交联结构, 它属于热塑性树脂, 可通过压延、挤出、注射、真 空成型等工艺加工成型, 但由于相对分子质量太 高, 加工较为困难; ( 2) T g 接近人体温度, 室温下 为硬质, 适于制作人用织物, 但此温度不能任意调 整; ( 3) 充油处理后变成 JI S 硬度为 15 的低硬度 橡胶, 具有较好的耐湿气性和滑动性; ( 4) 未经硫 化的试样强度高, 具有减震性能。 1. 4 聚氨酯( PU)
由于形状记忆 T P I 具有形变量大、加工成型 容易、形状回复温度可调整、耐溶剂性好、耐酸碱、
高度的绝缘性、极好的耐寒性及耐臭氧性等优点, 期望在更多领域开辟其潜在的用途: ( 1) 土木建 筑, 如固定铆钉、空隙密封、异径管连接等; ( 2) 机 械制造, 如自动启闭阀门、热收缩管、防音辊、防震 器、连接装置、衬里材料、缓冲器等; ( 3) 电子通
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合 成橡 胶 工业
第 23 卷
波胶, 以及人工合成的反式聚异戊二烯[11 ~ 13 ] 。形 状记忆 T P I 是 T P I 树脂、填料及交联剂等原料
高分子材料的形状记忆性能研究与应用
高分子材料的形状记忆性能研究与应用1. 引言高分子材料是一类具有特殊性能和应用前景的材料，其中形状记忆性能是引人注目的特征之一。
形状记忆性是指材料通过外部触发，能够从一种初始形状迅速回复到具有预设形状的能力。
与传统的材料相比，高分子材料的形状记忆性能具有许多优势，如材料的轻量化、可重复使用性等。
因此，研究与应用高分子材料的形状记忆性能具有重要的科学和实际意义。
2. 形状记忆原理高分子材料的形状记忆性能是基于其特殊的分子结构和热力学性质实现的。
一般来说，高分子材料通过控制温度、电场、光照等外部刺激，使其分子结构发生变化，从而实现形状记忆性能。
其中，形状记忆效应的实现主要依赖于高分子材料中的交联度、分子链的切断和重连接以及聚合物链的运动等过程。
3. 形状记忆性能研究在高分子材料的形状记忆性能研究中，主要包括材料的形状记忆效应机制、形状记忆行为的表征与分析方法以及形状记忆性能的调控与优化等方面。
通过对不同类型高分子材料的形状记忆性能进行研究，可以深入了解其作用机制，并为材料的合成和应用提供理论指导和实验基础。
4. 形状记忆性能应用高分子材料的形状记忆性能在许多领域具有广泛的应用前景。
例如，在医学领域，可以利用高分子材料的形状记忆性能制备可移植的组织工程支架；在航空航天领域，可以利用形状记忆材料设计制造高效的飞机构件；在智能材料和机器人领域，可以利用形状记忆材料制造可编程、可自主移动的智能器件；在电子领域，可以利用形状记忆材料制造灵活的电子器件等。
这些应用将大大推动传统材料科学的发展，并在生活和工业生产中发挥重要作用。
5. 发展与挑战虽然形状记忆高分子材料具有许多优点和潜在应用，但是其研究与应用仍然面临一些挑战。
例如，在形状记忆材料的合成和制备过程中，需要考虑材料的可调控性和可持续性等问题；在形状记忆性能的调控和优化过程中，需要考虑材料的力学性能和稳定性等问题。
此外，形状记忆高分子材料的商业化应用还需要克服生产成本、制备工艺和市场需求等方面的限制。
高分子材料的形状记忆性能研究
高分子材料的形状记忆性能研究近年来，高分子材料的形状记忆性能一直受到广泛关注。
形状记忆性能是指在受到外界刺激后，高分子材料能够自动恢复到其原始形状的能力。
这种记忆能力使得高分子材料在许多领域都有着广泛的应用前景，如人工智能、生物医学工程和可穿戴设备等。
形状记忆性能的研究主要涉及到两个方面：首先是高分子材料的记忆效应。
高分子材料的形状记忆机制是由其特殊的结构决定的。
大多数高分子材料都是由线性或交联聚合物链组成的，当受到外界温度、光线或电场等刺激时，高分子材料的分子链会经历某种结构转变，从而改变材料的形状。
当外界刺激消失时，高分子材料又会自动恢复到原来的形状。
这种形状记忆效应是由于高分子材料的内部结构发生了可逆性改变。
第二个方面是高分子材料的形状记忆机理。
形状记忆机理主要包括两种类型：一种是热致形状记忆，另一种是光致形状记忆。
热致形状记忆是指高分子材料在恢复原状时，利用外界的温度变化来驱动分子链的结构恢复。
光致形状记忆则是通过外界的光线刺激实现形状的恢复。
这两种形状记忆机理有着不同的优缺点和应用范围，研究人员正在不断深入探索它们的机制，并提出更加高效的方法。
形状记忆性能的研究还面临一些挑战。
首先是高分子材料的制备。
高分子材料的形状记忆性能需要通过合成合适的聚合物来实现。
为了达到理想的形状记忆性能，研究人员需要精确控制聚合物的结构和分子链的排列方式。
其次是形状记忆性能的稳定性问题。
由于高分子材料的形状记忆性能是由分子链结构的可逆变化决定的，因此在长时间使用或多次形状转变后，高分子材料的形状记忆性能可能会出现衰退或丢失的情况。
针对这个问题，研究人员正在尝试将形状记忆性能与其他物理性能相结合，以提高材料的稳定性。
高分子材料的形状记忆性能研究不仅局限于实验室的理论探索，还涉及到许多实际应用。
例如，在可穿戴设备中，形状记忆材料能够根据人体的形态变化，自动调整设备的形状，提供更好的舒适度和适配性。
在生物医学工程领域，形状记忆材料可用于制作人工血管、智能药物释放系统等，以实现更加精确和有效的治疗。
形状记忆高分子的材料的研究进展
形状记忆高分子材料的研究进展摘要：本篇文章首先简述了形状记忆高分子材料的记忆机理，然后综述了形状记忆高分子材料的分类、制造原料、应用现状及展望应用前景。
关键词：形状记忆高分子；高分子材料；分类；应用；发展趋势1.概述形状记忆高分子(Shape Memory Polymer，简写为SMP)在特定条件下具有特定的形状，随外部条件的变化，其形状相应地改变并固定。
当外部环境再一次规律性地变化时，SMP便恢复到初始态。
至此，SMP循环完成记忆初始态——变形固定态——恢复初始态。
促使SMP完成上述循环的外部条件有热能、光能、电能、声能等物理因素和酸碱度、螯合反应、相变反应等化学因素[3-4]。
形状记忆高分子或形状记忆聚合物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，与其他功能材料相比，原料充足，品种多，回复温度等条件范围宽；形变量大，质轻耐用，易包装运输，应用范围广泛；易加工，易赋形，能耗低；价格便宜，仅是金属形状记忆合金的1％；耐腐蚀，电绝缘性强，保温效果好[4]。
2.SMP的记忆机理形状记忆高分子材料(SMP)的记忆机理，可以从分子结构及其相互作用的机理方面加以解释。
1989年，石田正雄认为，具有形状记忆性能的高分子可看作是两相结构，即由记忆起始形状的固定相和随温度变化能的可逆的固化和软化的可逆相组成。
可逆相为物理铰链结构，而固定相可分为物理铰链结构和化学铰链结构，以物理铰链结构为固定相的称为热塑性SMP，以化学铰链结构为固定相的称为热固性SMP[1]。
徐修成认为固定相的作用是对于成形制品原始形状的记忆与回复，而可逆相的作用则是形变的发生与固定。
固定相可为聚合物的交联结构、部分结晶结构、超高分子链的缠绕等结构。
可逆相可以是产生结晶与结晶熔融可逆变化的部分结晶相，或发生玻璃态与橡胶态可逆转变(玻璃化温度，Tg)的相构。
在高分子形状记忆材料中，由于聚合物分子链间的交联作用，这就是材料中固定相的作用束缚了大分子的运动，表现出材料形状记忆的特性。
热致形状记忆高分子研究
热致形状记忆高分子研究近年来，热致形状记忆高分子（Thermally-Induced Shape Memory Polymer, TISMP）作为一种新型高分子材料，受到在材料学和工程学领域的广泛关注。
TISMP具有优异的力学性能，具有许多有利的应用特性，如耐高温、耐腐蚀、耐冲击、低失重以及可调节的形状记忆性能等，可应用于众多的产品和服务领域，如航空航天、汽车、轨道交通运输系统、机械产品等，将有力推动社会发展和经济增长。
TISMP是一种新型的高分子材料，其结构特征决定了它的特性和功能。
TISMP的形状记忆效果是由一种叫做热致形状记忆效应（Thermally-Induced Shape Memory Effect, TI-SMEE）的独特物理和化学性质作用产生的。
在TI-SMEE下，TISMP通过改变温度来激活形状记忆效应，即在回火温度以上形状记忆效应会发挥出最大值，当温度回落时，TISMP会自动回原形，这一过程可重复发生。
此外，TISMP 还具有一定的稳定性，可在常温下长期保持它的形状和性能。
在力学性能方面，TISMP具有良好的可靠性，耐久性和稳定性能。
它的拉伸强度、断裂伸长率和疲劳强度均大于典型的加工塑料，耐热性好，温度下降后不会发生分解反应，可以在室温下维持较长时间。
此外，能够有效承受低温和高温环境仍能表现出理想的性能，耐冲击性也非常好，具有较高的机械强度。
此外，TISMP不仅具有良好的性能特征，它的制造工艺也十分简单。
它可以通过一系列普通的热成型技术，如注射成型、挤出成型、热塑性成型、热变形等来制备。
由于TISMP的制造成本低，生产效率高，产品成本低，使它在工业前景广阔。
然而，TISMP仍面临着一些缺点。
首先，在形状记忆效应表现方面，其受到外界环境因素的影响，如温度、湿度、力学应力等因素，而影响形状记忆效应的性能。
其次，TISMP的回火温度较低，导致其性能的最大改善也较小，同时TISMP的结晶度较低，在形状再制和再次使用时可能会出现变形现象。
形状记忆高分子材料的研究
（４）光致感应型：这类形状记忆高分子材料材料在其主链 或侧链中引入一些特定的光致变色基团（ＰＣＧ）后通过光照射， 使光致变色基团 发 生 光 异 构 化 反 应 后 变 形，当 光 照 停 止 时，光 致变色基团发生可逆的光异构化反应回复形状。
２ 形状记忆原理研究
结合形状记忆材料的形状恢复形式可以大致将记忆效应 分为三种，即不可逆形状记忆效应，可逆形状记忆效应，全程形 状记忆效应。下面重点研究热致感应型和化学响应型的形状 记忆原理
２．１ 热致感应型的形状记忆原理
图 １ 热致感应型的形状记忆原理
收稿日期：２０１９－０６－２０ 作者简介：赵丽娟（１９８６—），女，甘肃兰州人，讲师，主要从事精细化工研究方向。
材料、信息和能源作为现代社会发展的三大支柱产业在促 进经济发展、丰富 人 类 生 活 中 起 到 了 重 要 的 作 用。 其 中，材 料 中形状记忆高分子材料的更是由于其独特的性能成为了工农 业、国防、医疗等领域的重要材料。
１ 形状记忆高分子材料（ＳＭＭｓ）的分类
形状记忆材料是一种智能材料［１］，这类材料通过感知环境 变化后，对其形状、位 置、应 变 等 力 学 参 数 进 行 调 整，最 后 能 够 恢复到初始状态。目前，备受研究人员关注的是形状记忆材料 中形状记忆高分子材料，这类材料最早是由 Ｍａｔｈｅｒ在 １９４０提 出的，当时 Ｍａｔｈｅｒ称其为“弹性记忆”［２］。形状记忆高分子材 料被发现后 有形状记忆功能的聚氨酯材料后，形状记忆高分子材料开始备 受关注［３］。目前，这类物质由于独特的记忆功能成为了在形状 记忆合金后的又一热点研究领域。形状记忆高分子材料根据 其形状回复原理 可 分 为 热 致 感 应 型、电 致 感 应 型、化 学 响 应 型 和光致感应型四类。
基于结晶高分子的形状记忆材料及其性能研究
基于结晶高分子的形状记忆材料及其性能研究基于结晶高分子的形状记忆材料及其性能研究形状记忆材料具有在不同外界刺激下能够实现形状变化并以记忆状态恢复的特性，因而被广泛应用于医疗、航空航天、机电等领域。
而基于结晶高分子的形状记忆材料由于其稳定性和可调控性优势，成为近年来备受研究者关注的热点。
一、结晶高分子形状记忆材料的原理结晶高分子形状记忆材料是利用高分子材料具有形状记忆特性，并通过结晶相改善其机械性能和稳定性。
这类材料通常由线性高分子和交联剂构成，通过在高分子网络中形成结晶相，实现形状变化和恢复。
以聚丙烯酸晶体为例，聚丙烯酸作为线性高分子，其具有形状变化的功能性基团。
通过交联剂和聚丙烯酸分子结合，形成网络结构。
当聚丙烯酸晶体受到温度、湿度等外界刺激时，晶体中的结晶相破坏，导致材料形状发生变化。
而在外界刺激消失后，聚丙烯酸重新形成结晶相，从而恢复原始形状。
二、结晶高分子形状记忆材料的性能研究1. 形状记忆特性采用差示扫描量热仪（DSC）和拉伸实验等方法，研究不同温度和湿度条件下结晶高分子形状记忆材料的形状变化和恢复速度。
研究结果表明，形状记忆材料在特定温度和湿度条件下具有良好的形变性能和形状恢复速度。
2. 结晶相结构采用X射线衍射仪（XRD）等方法，研究结晶高分子形状记忆材料的结晶相结构。
研究发现，结晶相的形成与高分子链的排列方式有关，可以通过调控结晶相结构来改变材料的形状记忆性能。
3. 机械性能通过拉伸实验、动态力学分析等方法，研究结晶高分子形状记忆材料的力学性能。
结果显示，结晶相的存在能够显著提高材料的强度、韧性和耐久性。
4. 环境响应性能研究结晶高分子形状记忆材料在不同环境条件下的性能响应，如湿度、溶剂等。
研究发现，结晶相的形成和破坏与环境因素的相互作用密切相关，可以通过调整环境条件来改变材料的形状变化和恢复。
三、结晶高分子形状记忆材料的应用前景基于结晶高分子的形状记忆材料在医疗、航空航天、机电等领域具有广泛的应用前景。
形状记忆高分子材料
浅谈形状记忆高分子材料及典例摘要：高分子形状记忆材料近年来吸引了许多研究者的目光, 因其低廉的成本、优异的加工性能、良好的回复性、多变的力学和物理性能等优势迅速地发展起来。
按形状记忆的方式,它可分为热致感应型、光致感应型和化学物质感应型等,能满足不同的应用需求。
关键词：形状记忆高分子形状记忆树脂热致感应性一、形状记忆高分子材料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。
二、形状记忆高分子材料结构高分子的各种性能是其内部结构的本质反映，而高分子的形状记忆功能是有其特殊的内部结构决定的。
目前开发的形状记忆高分子一般是有保持固定成品形状的固定相和在某种温度下能可逆的发生软化—硬化的可逆相组成。
固定相的作用是初始形状的记忆和恢复，第二次变形和固定则是有可逆相来完成。
固定相可以是高分子的交联结构、部分结晶结构、高分子的玻璃态或分子链的缠绕等。
可逆相则为产生结晶与结晶熔融可逆变化的部分结晶相，或发生玻璃态与橡胶态可逆转变（玻璃化温度Tg）的相结构。
三、形状记忆高分子材料机理形状记忆性是指某种材料在成型加工过程中形成某种固有形状的物品，在某些条件下发生变形并被固定下来后，当需要它时只要对它施加一定手段（如加热，光照，通电，化学处理等），使其迅速恢复到初始形状。
也就是说，具有形状记忆性的物质就像有生命的东西，当其在成型加工中被塑造成具有某种固有的初始形状的物品后，就对自己所获得的这种初始形状始终保持有终生记忆的特殊功能，即使在某些情况下被迫改变了本来面目，但只要具备了适当的条件，就会迅速恢复到原有的初始形状。
这种可逆性的变化可循环往复许多次，甚至几万次。
高分子材料的形状记忆性，是通过它所具有的多重结构的相态变化来实现，如结晶的形成与熔化，玻璃化与橡胶态的转化等。
形状记忆高分子材料最新研究进展
形状记忆高分子材料最新研究进展谢涛化学科学与材料系统实验室；通用汽车研究和发展中心摘要：传统的形状记忆高分子材料（SMPs）能够记住一些临时的形状，一旦受热就恢复至永久形变。
尽管这一基本概念提出已有半个世纪，但最新的研究进展冲击了人们对形状记忆高分子材料形状记忆效应的传统认识并且大大提高了SMPs的应用潜力。
本文将着重叙述在SMPs研究方面的显著进展及其如何改变人们对SMPs的传统观点、这些研究进展对于实际应用的意义以及SMPs的发展放向。
关键词：形状记忆高分子、刺激响应性高分子、高分子驱动器1、引言形状记忆高分子材料是一种典型且重要的刺激响应性材料，这些材料的响应依赖于形状的改变。
更具体的说，形状记忆高分子材料的传统定义的是指能够发生形变而形成某一临时形状，并且能够保持稳定状态，但当受到外部适当刺激就能够恢复至原有（永久）形状的高分子材料。
相应的，SMPs 这类行为统称为形状记忆效应。
尽管外部各种形式的刺激都能够成为SMPs 恢复原有形状的原因，但是最典型的是直接加热使温度升高。
正如Matheretal 介绍的那样，高分子专家对SMPs的认识可以追溯到20世纪40年代的一个专利，在这个专利里提到了弹性记忆这个概念。
另一方面，20世纪60年代出现的热收缩管表明了SMPs的商业化应用，这甚至比它的专业术语用的更早。
据说，随着民防部队的化学公司(法国)研究的基于形状记忆高分子材料的聚降冰片烯的进步，形状记忆高分子材料这个术语在1984年第一次被官方正式使用。
尽管SMPs已经发展了很长时间，但是高分子形状记忆效应的研究一直鲜为人知，甚至在19世纪90年代以前很少有SMPs科学论文发表。
后来，可能由于尿烷的化学用途广泛使得聚合物具有较好的结构协调性以及聚氨酯材料的工业价值，三菱重工对聚氨酯的形状记忆材料的一些零散的发现引起了学界对形状记忆高分子材料的极大兴趣。
也因为这个原因，尽管自发现至今已有很多不同的SMPs材料开发出来，但是对形状记忆聚氨酯材料的研究仍然很活跃。
热致形状记忆高分子研究
热致形状记忆高分子研究近年来，随着新型热回复性高分子材料的发展，热致形状记忆高分子（简称TRP）的研究以及应用取得了长足发展。
TRP材料具有良好的柔韧性，可以在不同环境条件下实现大小调整，同时具有良好的耐磨性，可以用于构建各种精密机械结构。
此外，TRP材料可以保持其形状记忆特性，被广泛用于航空航天、医疗、机械、电子、可穿戴设备等领域。
TRP料是以聚合物为基类的高分子材料，具有独特的特性，它们采用了两种不同的热回复性机制，即热致形状记忆和热塑性。
热致形状记忆机制可用于实现复杂的3D形状记忆效果，因此，TRP材料在航空航天、医疗、机械、电子、可穿戴设备等领域极其受欢迎。
热致形状记忆高分子材料一般是由具有极性头部的主链和非极性环形段构成的，它们的构形是由两种特殊的材料，即电聚和热致形状记忆共聚物介导的，以及一系列的助剂组成的。
在构建TRP材料时，电聚物介导的主要作用是改变材料的热回复性，从而实现形状记忆的性能，而热致形状记忆共聚物则主要用于控制和影响形状记忆状态的形成。
此外，助剂如有机磷酸盐和多体能合成等，可以提高材料的热回复性，使其具有最佳的性能。
在构建TRP材料时，必须考虑到电聚物，热致形状记忆共聚物以及助剂之间的耦合状态。
当电聚物，热致形状记忆共聚物和助剂之间存在良好的耦合时，TRP材料的性能可有效的提高。
此外，为了构建TRP材料，还必须要考虑到各种热处理技术，其器件尺寸和构型以及其他因素。
此外，随着对TRP材料的研究不断深入，其广泛的应用也在不断增加。
首先，TRP材料可用于航空航天技术，特别是针对复杂三维形状的本体设计。
其次，TRP材料可用于机械装配技术，例如汽车发动机中的活塞和缸套件的组装，可极大地提高其耐用性，大大减少了修理和维护的成本。
此外，TRP材料也可用于电子行业，例如平板电脑的电池及其他电子元件的接插件等。
总之，热致形状记忆高分子材料是一种具有重要应用前景的新型材料，其研究已经取得了较大成就，但仍有一些技术挑战要克服，例如改进热处理技术，降低成本等。
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形状记忆高分子材料性能评价的分子模拟研究张慧军,岳 红,刘 倩,陈 冲(西北工业大学理学院应用化学系,西安710129)摘要 分子模拟在新材料研究领域中有着广泛的应用。
介绍了形状记忆高分子材料的分类,阐述了用分子模拟形状记忆材料性能的理论,分析了统计弹性力学原理,提出了构建模型和模拟的方法,概述了近年来分子模拟的研究现状及存在的问题,并展望了形状记忆高分子材料的发展。
关键词 形状记忆高分子 性能 评价 分子模拟中图分类号:T B34 文献标识码:APerformance Evaluation of Shape Memory Polymer by Molecular SimulationZHAN G H uijun,YU E Hong,LIU Qian,CHEN Chong(Department of A pplied Chemistr y,No rthw est ern Polytechnical U niv ersity ,Xi an 710129)Abstract M olecular simulation is widely used in the study field o f new materials.T he categ or ies o f shape memor y polymer ar e intro duced.Based o n r ubber elasticity theor y,the const ruction and simulatio n methods are also elabor ated.T he cur rent status in molecular simulatio n is a lso pr esented and pr oblems of shape memor y po ly mer a re proposed.It makes pr ospects fo r the dev elo pment of shape memor y polymer materia ls.Key words shape memo ry po ly mer,perfo rmance,evaluat ion,mo lecular simulatio n张慧军:1984年生,硕士生,研究方向为形状记忆高分子材料分子模拟 E mail:zhang huijun10624@163.co m0 引言近年来,随着计算机技术的飞速发展,利用计算机进行分子模拟已成为现代科学研究中一种很重要的方法,从分子水平上进行产品开发过程设计已成为一种潮流[1-6]。
分子模拟法可以模拟现代物理实验方法无法考察的物理现象和物理过程,从而发展新的理论;研究化学反应的路径、过渡态、反应机理等十分关键的问题,代替以往的化学合成、结构分析、物理检测等实验[7]。
最近分子模拟技术在形状记忆高分子材料中也得到了广泛应用。
形状记忆高分子材料(SM P)是指具有初始形状的聚合物制品经形变固定后,通过加热等外部刺激手段的处理又可使其恢复初始形状的聚合物。
形状记忆聚合物是一种新型的功能材料,自1981年发现热致形状记忆高分子交联聚乙烯以来,形状记忆功能高分子材料得到了很大发展,其作为功能材料的一个分支受到广泛关注。
形状记忆高分子材料品种繁多,不同的划分标准可得到不同的分类。
根据形状回复原理,形状记忆高分子材料可分为4类:(1)热致形状记忆高分子材料[8],是在室温以上变形,即能在室温固定形变且可长期存放,当再升温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。
(2)电致形状记忆高分子材料[9],是热致型形状记忆功能高分子材料与具有导电性能物质如导电炭黑、金属粉末及导电高分子等的复合材料。
该复合材料通过电流产生的热量使体系温度升高,致使形状回复。
所以既具有导电性能,又具有良好的形状记忆功能。
(3)光致形状记忆高分子材料[10],是将某些特定的光致变色基团(PC G)引入高分子主链和侧链中,当受到紫外光照射时,PCG 发生异构化反应使分子链的状态发生显著变化的材料。
(4)化学感应型形状记忆高分子材料[11-14],是利用材料周围介质性质的变化来激发材料的变形和形状回复。
常见的化学反应方式有平衡离子置换、pH 值变化、螯合反应、氧化还原反应和相转变反应等,这类物质包括部分皂化的聚丙烯酰胺、聚乙烯醇和聚丙烯酸混合物薄膜等。
1 模拟理论借用橡胶的弹性理论,可以对聚合物材料的形状记忆特性及影响材料形状记忆特性的因素进行分析。
因为聚合物材料的弹性模量可以理解为材料的弹性系数,所以形状记忆材料的热收缩性可以用材料的弹性模量来特性化。
记忆特性 模量E =3Vk 2gT式中:T 为绝对温度(T m 以上);g 为纠缠因子;k 为玻兹曼常数; 为线性扭曲因子=定向时的平均链长/非定向时的平均链长;V 为单位体积的链数目;V = N /[M c (1-2M c /M n )]( 为密度;N 为阿佛加德罗常数;M n 为链的数均分子量;M c 为交联链之间的分子量)。
由此可以看出,交联度越大,缠结点越多,M c 变小,V 越大,则E 越大,形状记忆性越好。
从上面的公式还可以看到分子量M n 以及密度 的影响, 、M n 越大,E 越大,形状记忆性能越好。
也可理解为定向度形成交联后,定向度增加, 可大于1,E 也就越大,形变回复力也越大[15]。
2 力学分析原理统计弹性力学的基本原理表明[16,17],广义虎克定律表示为:i=C ij!j其中C ij为弹性系数矩阵:Cij =C11C12C13C14C15C16C21C22C23C24C25C26C31C32C33C34C35C36C41C42C43C44C45C46C51C52C53C54C55C56C61C62C63C64C65C66由于应变能的存在,C ij是对称的,因此描述任意材料的应力 应变行为最多只需要21个系数。
各向同性材料的应力 应变行为可以用两个独立的参数描述,对应的弹性系数矩阵可以表示为:C ij=∀+2#∀∀000∀∀+2#∀000∀∀∀+2#000 000#00 0000#0 0000#其中∀和#称为拉梅系数。
各向同性材料的模量可以用拉梅系数表示如下:拉伸模量:E=#(3∀+2#)∀+#柏松比:V=∀2(∀+#)体模量:K=∀+2 3#剪切模量:G=#弹性系数C ij反映材料在各处的不同弹性效应。
拉伸模量、体模量和剪切模量均可以用来衡量材料的刚性强弱,即在外力作用下抵抗变形的能力。
体模量还可以体现材料的断裂强度,其数值越大表明材料断裂时所需的能量越大,即断裂强度越大。
体模量与剪切模量的比值(K/G),可用来衡量体系的韧性,是指材料在冲击荷重或振动荷载下能承受较大形变而不致被破坏的性能。
这是材料由于塑性变形而吸收能量的性质,其值越高则体系的韧性越好。
泊松比是材料力学和弹性力学中的名词,定义为材料受拉伸或压缩力时,材料会发生变形,而其横向变形量与纵向变形量的比值,是一无量纲的物理量,塑料的泊松比是0.2~0.4。
柯西压(C11-C44)通常可用来衡量体系的延展性,即材料发生形变而不产生裂缝的能力。
一般来讲,一个具有较好延展性的物质,其(C12-C44)为正值,反之则为负值[18]。
通过上述力学分析可以用拉伸模量E来评价形状记忆高分子材料的优劣。
3 模型构建与模拟方法3.1 模型构建利用M at erials Studio 4.0软件中M at erials Visualizer 模块构建含适当链节数的高聚物或共混聚合物模型,用A morphous Cell模块构造封装模型,结合Com pass力场对其进行能量优化、几何优化、分子动力学优化,由N PT分子动力学模拟所得到的共混体系的平均偏摩尔体积对温度作图,可获得玻璃化转变温度T g,与实验中DSC测得的T g比较,来评价该模型的合理性。
大量的研究表明,分子动力学模拟能获得无定形聚合物的玻璃化转变温度[19-23]。
李红霞等[24]用分子动力学模拟了丁羟胶玻璃化温度,研究结果表明,比体积与温度的关系曲线斜率在T g处会发生转折;模拟计算得到的T g为208.00K,采用差示扫描量热(DS C)法实测得到的T g为194.86K,两种结果在误差允许范围内基本一致,表明M D法可以用来预测丁羟胶的T g。
3.2 模拟方法采用COMPASS力场,在NPT系综下进行MD模拟,选取合适的温度和压强,分别选用Andersen控温方法及Par rinello控压方法,体系所带电荷调整为默认值,选取合适的步长和总模拟步长,其余参数采用M S4.0软件包的默认值。
力学性能通过Discover模块中的静力模型分析获得,从而获得体系的力学性质参数。
根据这些力学参数来评价形状记忆高分子材料的性能。
朱伟等[25]选择钝感炸药TA TB(1,3,5 三氨基 2,4,6三硝基苯)为基,以氟橡胶(F2311)为粘结剂,构成复合双组分PBX。
用分子动力学和先进的COMPAS S[26-29]力场模拟了PBX的力学性能(弹性系数、模量和泊松比),发现在TA TB 中添加少量氟橡胶即能有改善炸药的力学性能。
本课题组将进行形状记忆高分子材料性能的研究,拟采用M S4.0软件,利用Amorphous Cell模块构建模型,采用分子动力学方法评价形状记忆高分子材料的性能,进而解释和说明本课题组通过大量实验所得到的具有良好形状记忆功能材料的结果[30],并探索为形状记忆高分子材料的研究提供理论依据突破的可能性。
4 研究现状4.1 实验和理论研究现状形状记忆聚合物主要是通过控制温度来实现其形状记忆和回复特性的,因此,其热力学性质是决定材料功能实现和性能优劣的关键因素,在实验中根据形状记忆聚合物及其复合材料使用中的受力变形特点,目前一般采取单向拉伸、压缩和弯曲加载,包括准静态和疲劳加载,主要性能评价依据是其形状回复率。
合理的理论模型可以在一定范围内预测形状记忆聚合物在不同条件下应力和应变响应特性,也是对不同热力学条件下材料的储能和回复性质优化的基础。
王诗任[31]认为高分子的形状记忆行为实质上就是橡胶熵弹性的恢复过程,并根据高分子物理的理论对形状记忆行为进一步建立了更优化的数学模型。
Bhattacharyya A.等[32]分别在形变固定、应力固定、应力变化速率恒定、形变变化速率恒定以及形变周期性变化等5种情况时,以一个四元流变模型对TSM P的等温力学响应作了理论的探讨,特别把摩擦力因素考虑在内,研究了材料的形状记忆变形与材料性质的温度依赖性对聚氨酯形状记忆力学响应的影响。
最近To bushi H.等[33]又在原先SM P的线性热机械本构模型基础上作了改进,提出了一个非线性模型。