基于液态金属的形状记忆高分子复合材料的制备与性能研究

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形状记忆高分子(SMP)是一种重要的智能材料,将SMP暴露在外界环境刺激(温度、电场、光、磁场、p H)后能够恢复其初始(永久)形状。基于形状记忆高分子的这种特性,SMP已经广泛应用到各种领域,包括柔性电子、软体机器人、生物医学、航空航天等领域。传统的热响应型形状记忆高分子是通过直接加热的方式促使材料的形状恢复,通过直接加热的方式往往加热效率低且热量不可控。电驱动形状记忆高分子材料由于其独特的电变形行为受到广泛关注,相比传统的热响应型形状记忆高分子,电驱动形状记忆高分子材料可以实现均匀的焦耳加热、可以远程控制、操作方便且清洁环保。目前开发的一些电驱动形状记忆高分子材料通常是基于固态金属或碳系(例如炭黑和碳纳米管)的高分子复合材料,它们的柔韧性低,变形能力差且需要高压驱动。如何在不影响高分子形状记忆性能的前提下提高复合材料的导电性、制备出低压可驱动变形的形状记忆高分子仍然具有很大挑战。本研究采用典型的形状记忆高分子聚己内酯(PCL)作为基体,利用溶剂挥发法将液态金属(LM)引入到PCL基体中,获得了基于LM的电驱动形状记忆高分子复合材料。对LM-SMP的力学性能、电学性能、形状记忆行为等进行研究,结果如下:液态金属和聚己内酯具有良好的相容性,得到的LM-SMP具有很高的柔韧性。研究了不同的液态金属含量对LM-SMP复合材料机械性能的影响,发现掺入LM后,虽然复合材料的机械性能降低,但是相比掺入传统的固态填料碳纳米管(CNTs),LM-SMP的机械性能要明显优于CNTs-SMP。研究了含有不同液态金属体积分数的LM-SMP的电学性能。LM-SMP表现出与应变相关的电导率,随着拉伸应变的增加,材料的电导率提高。此外,当LM的体积分数为30%时,LM-SMP-30%在拉伸时表现出了从绝缘体到导体的独特转变。研究了液态金属的含量对LM-SMP熔融和结晶性能的影响。发现LM-SMP的结晶度均在64%左右,液态金属的引入对高分子基体的熔融和结晶性能影响不大。LM-SMP复合材料具有优异的形状记忆行为,形状固定率为95%,形状恢复率达到99%。研究了LM-SMP复合材料的电驱动形状记忆性能。经过预拉伸的LM-SMP-50%在2 V的外加电压下能在18 s内完成原始形状的基本恢复。此外,以LM-SMP为基础,我们制造了可以在低压下驱动的可逆驱动器,2 V的外加电压下经过130 s可以完成弯曲变形和形状恢复,显示了材料在软体机器人和先进电子设备领域广阔的应用前景。
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