形狀記憶高分子材料

1、形狀記憶高分子形狀記憶高分子（SMP） 之最近十年研究進(jìn)展 制作人：金材1102班2目錄目錄 形狀記憶高分子概述形狀記憶高分子概述12最近十年應(yīng)用最廣泛行業(yè)最近十年應(yīng)用最廣泛行業(yè)34形狀記憶效應(yīng)的應(yīng)用形狀記憶效應(yīng)的應(yīng)用存在的問題及研究方向存在的問題及研究方向形狀記憶高分子最新研究進(jìn)展舉例形狀記憶高分子最新研究進(jìn)展舉例51.1 形狀記憶高分子概述形狀記憶高分子概述1.1定義：定義：形狀記憶高分子（形狀記憶高分子（Shape Memory Polymer）SMP材料是指具有初始形狀的制品，在一定的條件下改變其材料是指具有初始形狀的制品，在一定的條件下改變其初始形狀并固定后初始形狀并固定后,通過外界

2、條件（如熱、光、電、化學(xué)通過外界條件（如熱、光、電、化學(xué)感應(yīng)等）的刺激，又可恢復(fù)其初始形狀的高分子材料。感應(yīng)等）的刺激，又可恢復(fù)其初始形狀的高分子材料。1.2. 產(chǎn)生記憶效應(yīng)的內(nèi)在原因產(chǎn)生記憶效應(yīng)的內(nèi)在原因 需要從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行分析。由于柔性高分子材料需要從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行分析。由于柔性高分子材料的長鏈結(jié)構(gòu)，分子鏈的長度與直徑相差十分懸殊，的長鏈結(jié)構(gòu)，分子鏈的長度與直徑相差十分懸殊，柔軟而易于互相纏結(jié)，而且每個(gè)分子鏈的長短不一，柔軟而易于互相纏結(jié)，而且每個(gè)分子鏈的長短不一，要形成規(guī)整的完全晶體結(jié)構(gòu)是很困難的。要形成規(guī)整的完全晶體結(jié)構(gòu)是很困難的。42.2.形狀記憶效應(yīng)的應(yīng)用 迄今為止迄今為止,形狀記憶合金

3、在空間技術(shù)、醫(yī)療器械、機(jī)械器形狀記憶合金在空間技術(shù)、醫(yī)療器械、機(jī)械器具、具、 電子設(shè)備、能源開發(fā)、汽車工業(yè)及日常生活各方面都得電子設(shè)備、能源開發(fā)、汽車工業(yè)及日常生活各方面都得到了的到了的 應(yīng)用應(yīng)用,總的來說總的來說,按使用特性的不同按使用特性的不同,可歸納為下面幾類可歸納為下面幾類: (1) 自由回復(fù)自由回復(fù) (2) 強(qiáng)制回復(fù)強(qiáng)制回復(fù) (3) 動(dòng)力裝置動(dòng)力裝置 (4) 精密控制精密控制 (5) 超彈性應(yīng)用超彈性應(yīng)用2.2 航天航空領(lǐng)域：航天航空領(lǐng)域：記憶合金在航空航天領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用有很多成功的范例。人造衛(wèi)星上龐大的天記憶合金在航空航天領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用有很多成功的范例。人造衛(wèi)星上龐大的天線可以用記憶合

4、金制作。發(fā)射人造衛(wèi)星之前，將拋物面天線折疊起來裝進(jìn)衛(wèi)星體內(nèi)，線可以用記憶合金制作。發(fā)射人造衛(wèi)星之前，將拋物面天線折疊起來裝進(jìn)衛(wèi)星體內(nèi)，火箭升空把人造衛(wèi)星送到預(yù)定軌道后，只需加溫，折疊的衛(wèi)星天線因具有火箭升空把人造衛(wèi)星送到預(yù)定軌道后，只需加溫，折疊的衛(wèi)星天線因具有“記憶記憶”功功能而自然展開，恢復(fù)拋物面行狀。有在軍用飛機(jī)的液壓系統(tǒng)中的低溫配合連接件能而自然展開，恢復(fù)拋物面行狀。有在軍用飛機(jī)的液壓系統(tǒng)中的低溫配合連接件。用于制造探索宇宙奧秘的月球天線用于制造探索宇宙奧秘的月球天線。另外，在衛(wèi)星中使用一種可打開容器的形狀記另外，在衛(wèi)星中使用一種可打開容器的形狀記憶釋放裝置，該容器用于保護(hù)靈敏的鍺探測

5、器免受裝配和發(fā)射期間的污染。憶釋放裝置，該容器用于保護(hù)靈敏的鍺探測器免受裝配和發(fā)射期間的污染。2.3 生物醫(yī)療方面：生物醫(yī)療方面：用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的 TiNi 形狀記憶合金，目前，在醫(yī)學(xué)上形狀記憶合金，目前，在醫(yī)學(xué)上 TiNi 合金主要應(yīng)用有：合金主要應(yīng)用有： (a)牙齒矯形絲牙齒矯形絲 (b) 脊柱側(cè)彎矯形脊柱側(cè)彎矯形 各種脊柱側(cè)彎癥疾病，隨著形狀記憶的發(fā)展，醫(yī)學(xué)應(yīng)用將各種脊柱側(cè)彎癥疾病，隨著形狀記憶的發(fā)展，醫(yī)學(xué)應(yīng)用將會(huì)更加廣泛。會(huì)更加廣泛。 52.32.3日常生活方面：日常生活方面：(a) (a) 防燙傷閥防燙傷閥 (b) (b) 眼鏡框架眼鏡框架 (c) (c) 移動(dòng)電話天線和

6、火災(zāi)檢查閥門移動(dòng)電話天線和火災(zāi)檢查閥門 2.42.4機(jī)械電子產(chǎn)品方面：機(jī)械電子產(chǎn)品方面：形狀記憶合金作為低溫配合連接在飛機(jī)的液壓系統(tǒng)中及體形狀記憶合金作為低溫配合連接在飛機(jī)的液壓系統(tǒng)中及體積較小的石油、石化、電工業(yè)產(chǎn)品中應(yīng)用。另一種連接件的形積較小的石油、石化、電工業(yè)產(chǎn)品中應(yīng)用。另一種連接件的形狀是焊接的網(wǎng)狀金屬絲，用于制造導(dǎo)體的金屬絲編織層的安全狀是焊接的網(wǎng)狀金屬絲，用于制造導(dǎo)體的金屬絲編織層的安全接頭。這種接件已經(jīng)用于密封裝置、電氣連接裝置、電子工程接頭。這種接件已經(jīng)用于密封裝置、電氣連接裝置、電子工程機(jī)械裝置，已開出的密封系統(tǒng)裝置可在嚴(yán)酷的環(huán)境中用作電氣機(jī)械裝置，已開出的密封系統(tǒng)裝置可在

7、嚴(yán)酷的環(huán)境中用作電氣件連接。件連接。 將形狀記憶合金制作成一個(gè)可打開和關(guān)閉快門的彈簧，將形狀記憶合金制作成一個(gè)可打開和關(guān)閉快門的彈簧，用于保護(hù)霧燈免于飛行碎片的擊壞。用于制造精密儀器或精密用于保護(hù)霧燈免于飛行碎片的擊壞。用于制造精密儀器或精密車床，在機(jī)械制造過程中，各種沖壓和機(jī)械操作常需將零件從車床，在機(jī)械制造過程中，各種沖壓和機(jī)械操作常需將零件從一臺(tái)機(jī)器轉(zhuǎn)移到另一臺(tái)機(jī)器上，現(xiàn)在利用形狀記憶合金開發(fā)了一臺(tái)機(jī)器轉(zhuǎn)移到另一臺(tái)機(jī)器上，現(xiàn)在利用形狀記憶合金開發(fā)了一種取代手動(dòng)或液壓夾具，這種裝置叫驅(qū)動(dòng)汽缸，它具有效率一種取代手動(dòng)或液壓夾具，這種裝置叫驅(qū)動(dòng)汽缸，它具有效率高靈活，裝夾力大等特點(diǎn)。高靈活，裝

8、夾力大等特點(diǎn)。 6對于這一種高科技材料我認(rèn)為應(yīng)該更加廣泛的去開發(fā)、去利用，21世紀(jì)是一個(gè)電子時(shí)代，計(jì)算機(jī)傳感器在各個(gè)方面的有很好的運(yùn)用，但卻有著龐大的身軀，并且復(fù)雜難掌握。形狀記憶材料兼有傳感和驅(qū)動(dòng)的雙重功能，可以實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的微型化和智能化，如全息機(jī)器人、毫米級超微型機(jī)械手等。21世紀(jì)將成為材料電子學(xué)的時(shí)代。形狀記憶合金的機(jī)器人的動(dòng)作除溫度外不受任何環(huán)境條件的影響，可望在反應(yīng)堆、加速器、太空實(shí)驗(yàn)室等高技術(shù)領(lǐng)域大顯身手。溫控電路、溫控閥門，溫控的管道連接。人們已經(jīng)利用記憶合金制作了自動(dòng)的消防龍頭-失火溫度升高，記憶合金變形，使閥門開啟，噴水救火。制作了機(jī)械零件的利用記憶合金在特定溫度下的形變功

9、能，可以制作多種溫控器件，可以制作連接、管道的連接，飛機(jī)的空中加油的接口處就是利用了記憶合金-兩機(jī)油管套結(jié)后，利用電加熱改變溫度，接口處記憶合金變形，使接口緊密滴水（油）不漏。制作了宇宙空間站的面積幾百平米的自展天線-先在地面上制成大面積的拋物線形或平面天線，折疊成一團(tuán)，用飛船帶到太空，溫度轉(zhuǎn)變，自展成原來的大面積和形狀。 7美國利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)美國利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室將聚氨酯，聚降冰片室將聚氨酯，聚降冰片烯或聚異戊二烯等注射烯或聚異戊二烯等注射成為螺旋形，加熱后拉成為螺旋形，加熱后拉直再冷卻定型，即制得直再冷卻定型，即制得血栓治療儀中的關(guān)鍵部血栓治療儀中的關(guān)鍵部件件-微驅(qū)動(dòng)器，裝配到微驅(qū)動(dòng)器，

10、裝配到治療系統(tǒng)上后，利用光治療系統(tǒng)上后，利用光電控制系統(tǒng)加熱，使其電控制系統(tǒng)加熱，使其恢復(fù)到螺旋形可拉出血恢復(fù)到螺旋形可拉出血栓，這種方法快捷、徹栓，這種方法快捷、徹底，沒有毒副作用，是底，沒有毒副作用，是治療血栓的有效途徑之治療血栓的有效途徑之一。一。美國麻省理工學(xué)院報(bào)道美國麻省理工學(xué)院報(bào)道了用形狀記憶材料來固了用形狀記憶材料來固定骨折部位的方法，將定骨折部位的方法，將二次成型后的聚乳酸制二次成型后的聚乳酸制件放入帶有裂紋的骨髓件放入帶有裂紋的骨髓腔內(nèi)，利用消毒后的鹽腔內(nèi)，利用消毒后的鹽水對其進(jìn)行加熱，使骨水對其進(jìn)行加熱，使骨髓腔內(nèi)的形狀記憶材料髓腔內(nèi)的形狀記憶材料恢復(fù)到最初的形狀，變恢復(fù)到

11、最初的形狀，變得較厚，從而和骨髓腔得較厚，從而和骨髓腔的內(nèi)表面緊密接觸而不的內(nèi)表面緊密接觸而不會(huì)滑移，固定作用良好。會(huì)滑移，固定作用良好。3 最近十年應(yīng)用最廣泛的行業(yè)最近十年應(yīng)用最廣泛的行業(yè)1）醫(yī)療器材）醫(yī)療器材8 （2 2）熱收縮套管）熱收縮套管 這是開發(fā)最早和應(yīng)用最廣泛的形狀記憶高分子材料。這是開發(fā)最早和應(yīng)用最廣泛的形狀記憶高分子材料。所謂熱收縮管是指在加熱時(shí)能發(fā)生徑向收縮的管子所謂熱收縮管是指在加熱時(shí)能發(fā)生徑向收縮的管子。應(yīng)用應(yīng)用的時(shí)候，將套管套在需要包覆或連接的物體上，用加熱器的時(shí)候，將套管套在需要包覆或連接的物體上，用加熱器將膨脹的管加熱到軟化點(diǎn)以上（低于一次成型溫度），膨?qū)⑴蛎浀墓?/p>

12、加熱到軟化點(diǎn)以上（低于一次成型溫度），膨脹管便收縮到起始形狀，緊緊包覆在被包物體上。脹管便收縮到起始形狀，緊緊包覆在被包物體上。 熱收縮管用途廣泛，熱收縮管用途廣泛， 主要用于絕緣、密封、防主要用于絕緣、密封、防 腐等方面，如高壓電線、腐等方面，如高壓電線、 電纜的連接、端部密封；電纜的連接、端部密封； 輸氣輸油管道的防腐等。輸氣輸油管道的防腐等。9 （3 3）包裝材料包裝材料 利用高分子材料的記憶功能制成的熱收縮薄膜可利用高分子材料的記憶功能制成的熱收縮薄膜可用于包裝等方面。形狀記憶高分子可以很容易地制成用于包裝等方面。形狀記憶高分子可以很容易地制成筒狀的包裝薄膜，套到需要包裝的產(chǎn)品外面后，

13、經(jīng)過筒狀的包裝薄膜，套到需要包裝的產(chǎn)品外面后，經(jīng)過一個(gè)加熱工序，形狀記憶高分子便可牢固地收縮在產(chǎn)一個(gè)加熱工序，形狀記憶高分子便可牢固地收縮在產(chǎn)品外面，可以很方便地實(shí)現(xiàn)連續(xù)自動(dòng)化緊縮包裝生產(chǎn)。品外面，可以很方便地實(shí)現(xiàn)連續(xù)自動(dòng)化緊縮包裝生產(chǎn)。10 （4 4）容器外包及襯里容器外包及襯里 一般制作容器襯里一般制作容器襯里 操作比較困難。若選用操作比較困難。若選用 形狀記憶高分子材料，形狀記憶高分子材料， 則只需先將它加工成襯則只需先將它加工成襯 里形狀，然后加熱變形里形狀，然后加熱變形 為便于組裝的形狀，冷為便于組裝的形狀，冷 卻固化后塞入容器內(nèi)，卻固化后塞入容器內(nèi)， 再加熱便可恢復(fù)成襯里再加熱便可

14、恢復(fù)成襯里 形狀，牢固地嵌在容器形狀，牢固地嵌在容器 內(nèi)。內(nèi)。11 （5 5）建筑用緊固銷釘建筑用緊固銷釘 先將形狀記憶樹脂加工成先將形狀記憶樹脂加工成使用形狀，再加熱變形為易于使用形狀，再加熱變形為易于裝配的形狀，冷卻固化后插入裝配的形狀，冷卻固化后插入欲鉚合的兩塊板的空洞中，再欲鉚合的兩塊板的空洞中，再將銷釘加熱便可恢復(fù)一次成型將銷釘加熱便可恢復(fù)一次成型形狀而將板鉚合。形狀而將板鉚合。 （6 6）其他方面的應(yīng)用其他方面的應(yīng)用 除上述應(yīng)用外，形狀記憶除上述應(yīng)用外，形狀記憶高分子在其他方面也有廣泛的高分子在其他方面也有廣泛的應(yīng)用，如應(yīng)用，如紡織面料、航空、汽紡織面料、航空、汽車、電子、報(bào)警等車

15、、電子、報(bào)警等領(lǐng)域。領(lǐng)域。124.1 存在的問題在SMA 的研究和應(yīng)用中,目前尚存在許多有待解決的問題,例如:(1) 由于SMA 的各種功能均依賴于馬氏體相變,需要不斷對其加熱、冷卻及加載、卸載,且材料變化具有遲滯性,因此SMA 只適用于低頻(10Hz 以下)窄帶振動(dòng)中,這就大大限制了材料的應(yīng)用。(2) SMA 自身存在損傷和裂紋等缺陷,如何克服這些缺陷,改善材料性能是當(dāng)前迫切需要解決的問題。(3) 現(xiàn)有的SMA 機(jī)構(gòu)模型在實(shí)際工程應(yīng)用中都還存在一些缺陷,如何克服這些缺點(diǎn),從而精確地模擬出SMA 的材料行為也是一個(gè)需要研究的重要課題;(4) 在醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面,還需繼續(xù)研究SMA 的生物相容性和細(xì)

16、胞毒性。(5) SMA 作為一種新型功能材料,其加工和制備工藝較難控制,目前還沒有形成一條SMA 自動(dòng)生產(chǎn)線,此外材料成本也相當(dāng)昂貴。(6) 為了提高應(yīng)用水平,SMA 元器件還需要進(jìn)一步微型化,提高反應(yīng)速度和控制精度,在這方面仍有許多工作要做。13 (1) (1)進(jìn)一步改進(jìn)高分子材料的性能，降低成本。進(jìn)一步改進(jìn)高分子材料的性能，降低成本。 (2) (2)在保持形狀記憶功能的前提下，充分運(yùn)用分子設(shè)計(jì)在保持形狀記憶功能的前提下，充分運(yùn)用分子設(shè)計(jì) 技術(shù)和材料的改性技術(shù)技術(shù)和材料的改性技術(shù), , 提高提高SMPSMP的綜合性能。的綜合性能。 (3)(3)將成本較高的形狀記憶樹脂與價(jià)廉的通用樹脂共將成本

17、較高的形狀記憶樹脂與價(jià)廉的通用樹脂共 混，開發(fā)兼有多種效用的新型形狀記憶高分子材料混，開發(fā)兼有多種效用的新型形狀記憶高分子材料, , 或者將通用的工程樹脂開發(fā)為形狀記憶樹脂或者將通用的工程樹脂開發(fā)為形狀記憶樹脂, , 使其使其 既具有工程技術(shù)性能又具有特異形狀記憶功能的高既具有工程技術(shù)性能又具有特異形狀記憶功能的高 分子材料。分子材料。 (4) (4)把高溫側(cè)和低溫側(cè)的單向形狀記憶性巧妙地組合起把高溫側(cè)和低溫側(cè)的單向形狀記憶性巧妙地組合起 來來, , 開發(fā)雙向性形狀記憶樹脂以及多重可逆性形狀開發(fā)雙向性形狀記憶樹脂以及多重可逆性形狀 記憶復(fù)合高分子材料。記憶復(fù)合高分子材料。4.2 研究方向研究方

18、向145 5 形狀記憶高分子最新研究進(jìn)展舉例形狀記憶高分子最新研究進(jìn)展舉例 1.1.德國技術(shù)與大分子化學(xué)學(xué)院和美國麻省理工學(xué)院的德國技術(shù)與大分子化學(xué)學(xué)院和美國麻省理工學(xué)院的 科學(xué)家已研究開發(fā)成功一種形狀記憶可生物降解聚科學(xué)家已研究開發(fā)成功一種形狀記憶可生物降解聚 合物，此聚合物有廣泛的醫(yī)學(xué)用途。合物，此聚合物有廣泛的醫(yī)學(xué)用途。 2. 2.日本三菱重工的一個(gè)子公司開發(fā)出一種由聚氨酯纖日本三菱重工的一個(gè)子公司開發(fā)出一種由聚氨酯纖 維制成的織物，是一種具有形狀記憶功能的面料，維制成的織物，是一種具有形狀記憶功能的面料， 用于制造在環(huán)境溫度較高時(shí)能產(chǎn)生散熱和水汽通道用于制造在環(huán)境溫度較高時(shí)能產(chǎn)生散熱和

19、水汽通道 的智能服裝。此外，通過加溫處理使汽車外殼、機(jī)的智能服裝。此外，通過加溫處理使汽車外殼、機(jī) 殼和建筑物某些部件能夠自動(dòng)除去凹痕的殼和建筑物某些部件能夠自動(dòng)除去凹痕的SMPSMP制品，制品， 也在開發(fā)之中。也在開發(fā)之中。15 3.3.電子垃圾已經(jīng)成為當(dāng)前環(huán)境治理中的一個(gè)難題，近電子垃圾已經(jīng)成為當(dāng)前環(huán)境治理中的一個(gè)難題，近 年來，出現(xiàn)了一種稱為年來，出現(xiàn)了一種稱為”智能材料自動(dòng)拆卸智能材料自動(dòng)拆卸”技術(shù)技術(shù) （ADSMADSM）。這種技術(shù)即是用）。這種技術(shù)即是用SMPSMP材料制造電子產(chǎn)品的材料制造電子產(chǎn)品的 許多緊固件（如螺釘、螺紋套管、夾子等），它們許多緊固件（如螺釘、螺紋套管、夾子等），它們 將可以通過加熱的方式自行脫落，利用這種技術(shù)，將可以通過加熱的方式自行脫落，利用這種技術(shù)， 有望可以實(shí)現(xiàn)原件、材料的自動(dòng)分級和拆卸過程的有望可以實(shí)現(xiàn)原件、材料的自動(dòng)分級和拆卸過程的 自動(dòng)化。自動(dòng)化。16前景