【前沿追踪】哈工大在多稳态、超弹性形状记忆超材料方面取得系列进展

导读

形状记忆聚合物(SMPs)和形状记忆合金(SMAs)是应用最广泛的智能材料，能够在没有外部约束的情况下暂时保持给定(临时)形状，并在暴露于外部刺激(如热、光、湿度或PH)时恢复其初始(永久)形状。这种现象，即形状记忆效应(SME)。基于SMPs和SMAs的智能超材料具有广阔的应用前景，包括自展开的空间结构，自供电传感器和执行器，以及高度移动的软机器人等。SMPs和SMAs也被用于实现热可调弹性模量、泊松比结构。最近，研究人员开发出了基于SMPs的多稳态超材料，实现了极端可编程变形和热诱导形状恢复功能。大多数热触发SMPs的一个基本要求是它们需要在高温下进行热机械编程。典型的SMP编程过程需要加热SMP，使其变形为特定形状，在保持规定变形的情况下冷却SMP，然后卸载SMP以获得所需的临时形状。这种热编程过程可能会严重破坏SMPs的使用，因为重新启动形状需要额外的时间和处理流程。

2023年，TOP期刊《Materials Today》发表了哈尔滨工业大学和麦吉尔大学在形状记忆机械超材料方面的研究工作，论文标题为“Shape memory mechanical metamaterials”。

现有的文献工作面临三个关键挑战：需要对本构材料进行先验的热机械编程、复杂的制造过程和长时间的驱动时间。这项工作在这三个方面都取得了进展。作者使用两种可3D打印的聚合物材料，既不依赖于它们的SME，也不需要复杂的编程过程来人工生成SME。作者提出了一种机械超材料，利用其本构材料的刚度对温度的依赖性和空间分布来获得快速形状重构和快速恢复功能，所有这些都由机械载荷和温度变化调节。由此产生的二维和三维超材料表现出顺序可编程的多稳定性、超弹性、巨大的热变形和形状记忆能力。

内容简介

在文中，研究人员选取两种不依赖于形状记忆效应的可3D打印聚合物材料，组合生成了一系列具有稳健形状记忆功能的机械超材料。主要特性是利用两种材料模量对温度依赖性的不匹配，可避免典型形状记忆聚合物的复杂编程过程。它们的形状重构和快速恢复功能完全由机械载荷和温度变化控制，致使结构获得顺序可编程的多稳定性，超弹性，巨大的热变形和形状记忆能力。理论模型、数值模拟和热力学实验展现了它们的功能、稳定性、转变机制和潜在的应用。

图1简化SMEs双材料结构设计策略

图2应力桁架模型的力学响应

图3双材料构件的热力学响应

图4设计的双材料点阵与其他材料和结构的热力学响应和等效热膨胀系数(CTE)的比较

图5三维TPU90A-TOP31B双材料点阵结构的实验及示范应用

小结

文中证明，通过合理的选材和结构设计，可以获得简化的具有稳定形状记忆的机械超材料。作者提出了一组双材料点阵结构，由两种具有不同温度依赖性的3D打印聚合物材料组成。总体而言，作者提出的概念为开发多种形状记忆结构提供了丰富的设计空间，其特点是不依赖于典型SMPs的复杂编程过程，但却提供了强大且可重复的SME。该设计理念可以扩展到2D和3D构型，在未来的工作中，结合拓扑优化和机器学习，有望设计出多物理场下性能优异的智能超材料，如承载能力、形状适应性和原位可编程性等。

原始文献：

Hang Yang, Nicholas D'Ambrosio, Peiyong Liu, Damiano Pasini, Li Ma, Shape memory mechanical metamaterials, Materials Today 66(2023):36-49,https://doi.org/10.1016/j.mattod. 2023. 04.003.

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702123001074.