形状记忆高分子材料

1、形状记忆高分子形状记忆高分子（SMP） 之最近十年研究进展 制作人：金材1102班2目录目录 形状记忆高分子概述形状记忆高分子概述12最近十年应用最广泛行业最近十年应用最广泛行业34形状记忆效应的应用形状记忆效应的应用存在的问题及研究方向存在的问题及研究方向形状记忆高分子最新研究进展举例形状记忆高分子最新研究进展举例51.1 形状记忆高分子概述形状记忆高分子概述1.1定义：定义：形状记忆高分子（形状记忆高分子（Shape Memory Polymer）SMP材料是指具有初始形状的制品，在一定的条件下改变其材料是指具有初始形状的制品，在一定的条件下改变其初始形状并固定后初始形状并固定后,通过外界

2、条件（如热、光、电、化学通过外界条件（如热、光、电、化学感应等）的刺激，又可恢复其初始形状的高分子材料。感应等）的刺激，又可恢复其初始形状的高分子材料。1.2. 产生记忆效应的内在原因产生记忆效应的内在原因 需要从结构上进行分析。由于柔性高分子材料需要从结构上进行分析。由于柔性高分子材料的长链结构，分子链的长度与直径相差十分悬殊，的长链结构，分子链的长度与直径相差十分悬殊，柔软而易于互相缠结，而且每个分子链的长短不一，柔软而易于互相缠结，而且每个分子链的长短不一，要形成规整的完全晶体结构是很困难的。要形成规整的完全晶体结构是很困难的。42.2.形状记忆效应的应用 迄今为止迄今为止,形状记忆合金

3、在空间技术、医疗器械、机械器形状记忆合金在空间技术、医疗器械、机械器具、具、 电子设备、能源开发、汽车工业及日常生活各方面都得电子设备、能源开发、汽车工业及日常生活各方面都得到了的到了的 应用应用,总的来说总的来说,按使用特性的不同按使用特性的不同,可归纳为下面几类可归纳为下面几类: (1) 自由回复自由回复 (2) 强制回复强制回复 (3) 动力装置动力装置 (4) 精密控制精密控制 (5) 超弹性应用超弹性应用2.2 航天航空领域：航天航空领域：记忆合金在航空航天领域内的应用有很多成功的范例。人造卫星上庞大的天记忆合金在航空航天领域内的应用有很多成功的范例。人造卫星上庞大的天线可以用记忆合

4、金制作。发射人造卫星之前，将抛物面天线折叠起来装进卫星体内，线可以用记忆合金制作。发射人造卫星之前，将抛物面天线折叠起来装进卫星体内，火箭升空把人造卫星送到预定轨道后，只需加温，折叠的卫星天线因具有火箭升空把人造卫星送到预定轨道后，只需加温，折叠的卫星天线因具有“记忆记忆”功能而自然展开，恢复抛物面行状。有在军用飞机的液压系统中的低温配合连接件。功能而自然展开，恢复抛物面行状。有在军用飞机的液压系统中的低温配合连接件。用于制造探索宇宙奥秘的月球天线。另外，在卫星中使用一种可打开容器的形状记用于制造探索宇宙奥秘的月球天线。另外，在卫星中使用一种可打开容器的形状记忆释放装置，该容器用于保护灵敏的锗

5、探测器免受装配和发射期间的污染。忆释放装置，该容器用于保护灵敏的锗探测器免受装配和发射期间的污染。2.3 生物医疗方面：生物医疗方面：用于医学领域的用于医学领域的 TiNi 形状记忆合金，目前，在医学上形状记忆合金，目前，在医学上 TiNi 合金主要应用有：合金主要应用有： (a)牙齿矫形丝牙齿矫形丝 (b) 脊柱侧弯矫形脊柱侧弯矫形 各种脊柱侧弯症疾病，随着形状记忆的发展，医学应用将各种脊柱侧弯症疾病，随着形状记忆的发展，医学应用将会更加广泛。会更加广泛。 52.32.3日常生活方面：日常生活方面：(a) (a) 防烫伤阀防烫伤阀 (b) (b) 眼镜框架眼镜框架 (c) (c) 移动电话天

6、线和火灾检查阀门移动电话天线和火灾检查阀门 2.42.4机械电子产品方面：机械电子产品方面：形状记忆合金作为低温配合连接在飞机的液压系统中及体形状记忆合金作为低温配合连接在飞机的液压系统中及体积较小的石油、石化、电工业产品中应用。另一种连接件的形积较小的石油、石化、电工业产品中应用。另一种连接件的形状是焊接的网状金属丝，用于制造导体的金属丝编织层的安全状是焊接的网状金属丝，用于制造导体的金属丝编织层的安全接头。这种接件已经用于密封装置、电气连接装置、电子工程接头。这种接件已经用于密封装置、电气连接装置、电子工程机械装置，已开出的密封系统装置可在严酷的环境中用作电气机械装置，已开出的密封系统装置

7、可在严酷的环境中用作电气件连接。件连接。 将形状记忆合金制作成一个可打开和关闭快门的弹簧，将形状记忆合金制作成一个可打开和关闭快门的弹簧，用于保护雾灯免于飞行碎片的击坏。用于制造精密仪器或精密用于保护雾灯免于飞行碎片的击坏。用于制造精密仪器或精密车床，在机械制造过程中，各种冲压和机械操作常需将零件从车床，在机械制造过程中，各种冲压和机械操作常需将零件从一台机器转移到另一台机器上，现在利用形状记忆合金开发了一台机器转移到另一台机器上，现在利用形状记忆合金开发了一种取代手动或液压夹具，这种装置叫驱动汽缸，它具有效率一种取代手动或液压夹具，这种装置叫驱动汽缸，它具有效率高灵活，装夹力大等特点。高灵活

8、，装夹力大等特点。 6对于这一种高科技材料我认为应该更加广泛的去开发、去利用，21世纪是一个电子时代，计算机传感器在各个方面的有很好的运用，但却有着庞大的身躯，并且复杂难掌握。形状记忆材料兼有传感和驱动的双重功能，可以实现控制系统的微型化和智能化，如全息机器人、毫米级超微型机械手等。21世纪将成为材料电子学的时代。形状记忆合金的机器人的动作除温度外不受任何环境条件的影响，可望在反应堆、加速器、太空实验室等高技术领域大显身手。温控电路、温控阀门，温控的管道连接。人们已经利用记忆合金制作了自动的消防龙头-失火温度升高，记忆合金变形，使阀门开启，喷水救火。制作了机械零件的利用记忆合金在特定温度下的形

9、变功能，可以制作多种温控器件，可以制作连接、管道的连接，飞机的空中加油的接口处就是利用了记忆合金-两机油管套结后，利用电加热改变温度，接口处记忆合金变形，使接口紧密滴水（油）不漏。制作了宇宙空间站的面积几百平米的自展天线-先在地面上制成大面积的抛物线形或平面天线，折叠成一团，用飞船带到太空，温度转变，自展成原来的大面积和形状。 7美国利弗莫尔国家实验美国利弗莫尔国家实验室将聚氨酯，聚降冰片室将聚氨酯，聚降冰片烯或聚异戊二烯等注射烯或聚异戊二烯等注射成为螺旋形，加热后拉成为螺旋形，加热后拉直再冷却定型，即制得直再冷却定型，即制得血栓治疗仪中的关键部血栓治疗仪中的关键部件件-微驱动器，装配到微驱动

10、器，装配到治疗系统上后，利用光治疗系统上后，利用光电控制系统加热，使其电控制系统加热，使其恢复到螺旋形可拉出血恢复到螺旋形可拉出血栓，这种方法快捷、彻栓，这种方法快捷、彻底，没有毒副作用，是底，没有毒副作用，是治疗血栓的有效途径之治疗血栓的有效途径之一。一。美国麻省理工学院报道美国麻省理工学院报道了用形状记忆材料来固了用形状记忆材料来固定骨折部位的方法，将定骨折部位的方法，将二次成型后的聚乳酸制二次成型后的聚乳酸制件放入带有裂纹的骨髓件放入带有裂纹的骨髓腔内，利用消毒后的盐腔内，利用消毒后的盐水对其进行加热，使骨水对其进行加热，使骨髓腔内的形状记忆材料髓腔内的形状记忆材料恢复到最初的形状，变恢

11、复到最初的形状，变得较厚，从而和骨髓腔得较厚，从而和骨髓腔的内表面紧密接触而不的内表面紧密接触而不会滑移，固定作用良好。会滑移，固定作用良好。3 最近十年应用最广泛的行业最近十年应用最广泛的行业1）医疗器材）医疗器材8 （2 2）热收缩套管热收缩套管 这是开发最早和应用最广泛的形状记忆高分子材料。这是开发最早和应用最广泛的形状记忆高分子材料。所谓热收缩管是指在加热时能发生径向收缩的管子所谓热收缩管是指在加热时能发生径向收缩的管子。应用应用的时候，将套管套在需要包覆或连接的物体上，用加热器的时候，将套管套在需要包覆或连接的物体上，用加热器将膨胀的管加热到软化点以上（低于一次成型温度），膨将膨胀的

12、管加热到软化点以上（低于一次成型温度），膨胀管便收缩到起始形状，紧紧包覆在被包物体上。胀管便收缩到起始形状，紧紧包覆在被包物体上。 热收缩管用途广泛，热收缩管用途广泛， 主要用于绝缘、密封、防主要用于绝缘、密封、防 腐等方面，如高压电线、腐等方面，如高压电线、 电缆的连接、端部密封；电缆的连接、端部密封； 输气输油管道的防腐等。输气输油管道的防腐等。9 （3 3）包装材料包装材料 利用高分子材料的记忆功能制成的热收缩薄膜可利用高分子材料的记忆功能制成的热收缩薄膜可用于包装等方面。形状记忆高分子可以很容易地制成用于包装等方面。形状记忆高分子可以很容易地制成筒状的包装薄膜，套到需要包装的产品外面后

13、，经过筒状的包装薄膜，套到需要包装的产品外面后，经过一个加热工序，形状记忆高分子便可牢固地收缩在产一个加热工序，形状记忆高分子便可牢固地收缩在产品外面，可以很方便地实现连续自动化紧缩包装生产。品外面，可以很方便地实现连续自动化紧缩包装生产。10 （4 4）容器外包及衬里容器外包及衬里 一般制作容器衬里一般制作容器衬里 操作比较困难。若选用操作比较困难。若选用 形状记忆高分子材料，形状记忆高分子材料， 则只需先将它加工成衬则只需先将它加工成衬 里形状，然后加热变形里形状，然后加热变形 为便于组装的形状，冷为便于组装的形状，冷 却固化后塞入容器内，却固化后塞入容器内， 再加热便可恢复成衬里再加热便

14、可恢复成衬里 形状，牢固地嵌在容器形状，牢固地嵌在容器 内。内。11 （5 5）建筑用紧固销钉建筑用紧固销钉 先将形状记忆树脂加工成先将形状记忆树脂加工成使用形状，再加热变形为易于使用形状，再加热变形为易于装配的形状，冷却固化后插入装配的形状，冷却固化后插入欲铆合的两块板的空洞中，再欲铆合的两块板的空洞中，再将销钉加热便可恢复一次成型将销钉加热便可恢复一次成型形状而将板铆合。形状而将板铆合。 （6 6）其他方面的应用其他方面的应用 除上述应用外，形状记忆除上述应用外，形状记忆高分子在其他方面也有广泛的高分子在其他方面也有广泛的应用，如应用，如纺织面料、航空、汽纺织面料、航空、汽车、电子、报警等

15、车、电子、报警等领域。领域。124.1 存在的问题在SMA 的研究和应用中,目前尚存在许多有待解决的问题,例如:(1) 由于SMA 的各种功能均依赖于马氏体相变,需要不断对其加热、冷却及加载、卸载,且材料变化具有迟滞性,因此SMA 只适用于低频(10Hz 以下)窄带振动中,这就大大限制了材料的应用。(2) SMA 自身存在损伤和裂纹等缺陷,如何克服这些缺陷,改善材料性能是当前迫切需要解决的问题。(3) 现有的SMA 机构模型在实际工程应用中都还存在一些缺陷,如何克服这些缺点,从而精确地模拟出SMA 的材料行为也是一个需要研究的重要课题;(4) 在医学应用方面,还需继续研究SMA 的生物相容性和

16、细胞毒性。(5) SMA 作为一种新型功能材料,其加工和制备工艺较难控制,目前还没有形成一条SMA 自动生产线,此外材料成本也相当昂贵。(6) 为了提高应用水平,SMA 元器件还需要进一步微型化,提高反应速度和控制精度,在这方面仍有许多工作要做。13 (1) (1)进一步改进高分子材料的性能，降低成本。进一步改进高分子材料的性能，降低成本。 (2) (2)在保持形状记忆功能的前提下，充分运用分子设计在保持形状记忆功能的前提下，充分运用分子设计 技术和材料的改性技术技术和材料的改性技术, , 提高提高SMPSMP的综合性能。的综合性能。 (3)(3)将成本较高的形状记忆树脂与价廉的通用树脂共将成

17、本较高的形状记忆树脂与价廉的通用树脂共 混，开发兼有多种效用的新型形状记忆高分子材料混，开发兼有多种效用的新型形状记忆高分子材料, , 或者将通用的工程树脂开发为形状记忆树脂或者将通用的工程树脂开发为形状记忆树脂, , 使其使其 既具有工程技术性能又具有特异形状记忆功能的高既具有工程技术性能又具有特异形状记忆功能的高 分子材料。分子材料。 (4) (4)把高温侧和低温侧的单向形状记忆性巧妙地组合起把高温侧和低温侧的单向形状记忆性巧妙地组合起 来来, , 开发双向性形状记忆树脂以及多重可逆性形状开发双向性形状记忆树脂以及多重可逆性形状 记忆复合高分子材料。记忆复合高分子材料。4.2 研究方向研究

18、方向145 5 形状记忆高分子最新研究进展举例形状记忆高分子最新研究进展举例 1.1.德国技术与大分子化学学院和美国麻省理工学院的德国技术与大分子化学学院和美国麻省理工学院的 科学家已研究开发成功一种形状记忆可生物降解聚科学家已研究开发成功一种形状记忆可生物降解聚 合物，此聚合物有广泛的医学用途。合物，此聚合物有广泛的医学用途。 2. 2.日本三菱重工的一个子公司开发出一种由聚氨酯纤日本三菱重工的一个子公司开发出一种由聚氨酯纤 维制成的织物，是一种具有形状记忆功能的面料，维制成的织物，是一种具有形状记忆功能的面料， 用于制造在环境温度较高时能产生散热和水汽通道用于制造在环境温度较高时能产生散热

19、和水汽通道 的智能服装。此外，通过加温处理使汽车外壳、机的智能服装。此外，通过加温处理使汽车外壳、机 壳和建筑物某些部件能够自动除去凹痕的壳和建筑物某些部件能够自动除去凹痕的SMPSMP制品，制品， 也在开发之中。也在开发之中。15 3.3.电子垃圾已经成为当前环境治理中的一个难题，近电子垃圾已经成为当前环境治理中的一个难题，近 年来，出现了一种称为年来，出现了一种称为”智能材料自动拆卸智能材料自动拆卸”技术技术 （ADSMADSM）。这种技术即是用）。这种技术即是用SMPSMP材料制造电子产品的材料制造电子产品的 许多紧固件（如螺钉、螺纹套管、夹子等），它们许多紧固件（如螺钉、螺纹套管、夹子等），它们 将可以通过加热的方式自行脱落，利用这种技术，将可以通过加热的方式自行脱落，利用这种技术， 有望可以实现原件、材料的自动分级和拆卸过程的有望可以实现原件、材料的自动分级和拆卸过程的 自动化。自动化。16前景