复合低维纳米材料的电驱动形状记忆聚合物研究

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形状记忆聚合物是在外场触发下能自主回复设定形状的智能材料。相比于形状记忆合金、形状记忆陶瓷,形状记忆聚合物加工容易、变形大、质轻、成本低,且可以通过与高导电功能材料相结合,进一步提高其性能,其复合材料在医疗器械、航空航天、柔性可折叠结构等方面有着广泛应用。本文研究了环氧基形状记忆聚合物的制备和性能优化方法,通过与碳纳米管薄膜、碳纤维、纳米银覆层纤维等材料的复合,制备了一系列电驱动形状记忆聚合物复合结构,分析比较了其电学性能和形状记忆性能;并结合石墨烯应变传感器,构筑了能对变形状态自传感的电驱动形状记忆聚合物,这为新型电驱动自监测智能结构的构建打下了基础。具体研究内容以及结论如下:(1)环氧基形状记忆聚合物的制备及性能优化。以环氧树脂为主体、氨乙基哌嗪为固化剂、聚硫橡胶为增韧剂,制备了环氧基形状记忆聚合物。通过调控增韧比、固化度、固化温度等参数,优化其力学性能、动态力学性能和形状记忆性能,发现增韧比35%、固化度100%、固化温度80℃时所得聚合物综合性能最佳,其玻璃化转变温度为89.1℃,拉伸强度47.52 MPa。该形状记忆聚合物在125℃下,100 s完成100%形状回复,多次循环测试后形状记忆性能仍能保持。(2)复合低维纳米材料的电驱动形状记忆聚合物研究。将环氧基形状记忆聚合物分别与碳纤维、纳米银覆层纤维、碳纳米管薄膜直接复合,得到导电复合材料,对应电导率分别为1.2S/cm、10.5 S/cm、5.4 S/cm。在8 W驱动功率下,相同尺寸的碳纳米管薄膜/形状记忆聚合物、碳纤维/形状记忆聚合物、纳米银覆层纤维/形状记忆聚合物样品的形状回复时间分别为35 s、42 s和58 s,且形状固定率和形状回复率均超过96%。经一个月的形状记忆回复测试后,碳纤维/形状记忆聚合物复合结构性能下降较明显,其他样品性能保持良好。上述复合材料对比下,碳纳米管薄膜复合材料有最佳的综合性能。(3)嵌入石墨烯应变传感器的电驱动形状记忆聚合物的自传感性能研究。以石墨烯为传感元件,聚二甲基硅氧烷(PDMS)为柔性基底,分别利用PDMS与环氧树脂的半固化状态,依次完成石墨烯的转移、graphene/PDMS与碳纳米管薄膜复合形状记忆聚合物的组装,构筑了自传感电驱动形状记忆聚合物复合结构。在低电压驱动形状记忆聚合物回复过程中,石墨烯传感器的电阻变化与结构变形引起的应变有良好的线性相关,因此,可以利用石墨烯优异的应变传感特性来实时反映复合形状记忆聚合物在回复过程中的变形情况。
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