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哈工大与北京射线中心:远程驱动高回复力形状记忆聚酰亚胺
2019-09-28  来源:高分子科技

  聚酰亚胺(polyimide, PI)是20世纪50年代美国和前苏联“太空竞赛”时为满足航空、航天对耐热、轻质、高强材料的需要而研制的,目前已广泛应用于航空航天、信息通讯、光电器件、高集成微电子等行业。形状记忆聚酰亚胺(shape memory polyimide, SMPI)将聚酰亚胺的优异性能和形状记忆效应有机结合,不同状态下可呈现不同形状,在高温驱动器、空间可展开结构、智能发动机等领域有广阔应用前景。

  当前SMPI主要通过直接加热的方式实现形状记忆驱动,而在微电子、航空航天等应用中,直接加热较为不便或难以实现。因此,便捷可靠的远程驱动对SMPI具有重要意义。电驱动是形状记忆聚合物常用的远程驱动方法,但已知电驱动形状记忆聚合物多为中低温材料,其玻璃化转变温度(Tg)通常低于200 oC。哈尔滨工业大学肖鑫礼课题组与北京市射线应用研究中心王连才研究员合作,采用研磨碳纤维增强的方式在国际上首次研制出Tg 为302 oC的电驱动形状记忆聚酰亚胺(Electro-active SMPI, EASMPI),在15.9 V电压下即可实现形状的远程驱动,其过程如图1所示。从其温度分布图中可以看出,此时EASMPI的温度超过330 oC。

图1。 EASMPI 在15。9 V电压下的驱动过程。(a) 2 秒, (b) 51 秒, (c) 53 秒, (d) 66 秒, 及(e) 温度分布图

  回复应力是形状记忆材料在受限回复时产生的应力,其大小是决定实际应用的重要指标。与目前广泛应用的形状记忆合金相比,较小的回复应力是限制形状记忆聚合物实际应用的一个主要原因。文献报道的形状记忆聚合物回复应力通常在4~10 MPa,而 EASMPI由于研磨碳纤维的增强作用,其回复应力可达 40。1 MPa。高回复力使EASMPI在322 oC形状回复时可推动为其自身重量30多倍的不锈钢金属板,如图2所示。

图2。 EASMPI的高回复力。回复应力 (a),0。1216 g EASMPI 形状回复推动 3。8678 g  不锈钢金属板过程中第15秒 (b), 33秒 (c), 36秒 (d) 和38 秒 (e)。

  EASMPI的远程电驱动、高回复力、耐高低温、耐射线辐照等特性使其适合作为太空、核电站、大功率发动机等严酷环境下的智能材料。

  文章链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/macp.201900164

  Xiaofeng Li, Liancai Wang, Ziyan Zhang, Deyan Kong, Xinling Ao, and Xinli Xiao*。 Electroactive High-Temperature Shape Memory Polymers with High Recovery Stress Induced by Ground Carbon Fibers。 Macromol。 Chem。 Phys。 2019, 220(17):1900164。

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