第九章形状记忆材料功能材料合成与制备
9.1形状记忆材料概述9.2形状记忆材料的分类形状记忆材料的制备方法9.3
9.1形状记忆材料概述9.1.2基本原理9.1.1发展现状与应用前景
9.1形状记忆材料概述形状记忆材料根据其化学组成和性质的不同，可大致分为形状记忆合金（Shapememoryalloy，SMA）、形状记忆聚合物（Shapememorypolymer，SMP）和形状记忆陶瓷（Shapememoryceramic，SMC），其中以形状记忆合金应用最为广泛。形状记忆合金具备高强度、高阻尼、抗腐蚀、良好的生物相容性、独特的超弹性和形状记忆效应等优异特性，广泛应用于航空航天、生物医疗、机械电子、工业自动化和智能汽车等领域，其中可折叠卫星天线较为典型。图9-1?形状记忆合金制造的可折叠天线
9.1形状记忆材料概述与形状记忆合金相比，形状记忆聚合物材料具有高弹性变形（大多数材料的应变高达200%以上）、低成本、低密度以及潜在的生物相容性和生物降解性的优点。还具有应用温度范围广、可定制、硬度可调、易于加工等特点。因此，形状记忆聚合物的研究和应用引起了研究人员的密切关注，其广泛应用于手术缝合线、创面敷料、自愈合材料、智能机械臂、智能骨骼、智能纤维等医疗、航天及纺织领域。图9-2高温下自动收紧的智能外科缝线与上述两者记忆材料相比，形状记忆陶瓷具有许多优点，包括更高的强度、更高的工作温度、更好的热稳定性和优异的抗氧化/耐腐蚀性。
9.1.1基本原理材料具有形状记忆效应的本质原因主要来自于热弹性马氏体相变的可逆性，涉及形状记忆效应、超弹性以及三类形状记忆效应的原理。1.形状记忆效应形状记忆材料通常能够在变形后“记住”原来高温下母相的宏观形状，这种自动恢复形状的效应叫做形状记忆效应。2.超弹性超弹性是指材料在受到外力作用后，即使发生了远超过其弹性极限的形变，也能在卸载外力时自动恢复到原始形状的现象。这意味着在某些条件下，形状记忆合金可以经历大的非弹性变形，并在去除外力后恢复到原始形状。
9.1.1基本原理3.形状记忆效应的分类一般有三类形状记忆效应：(1)单程形状记忆效应(One-WayShapeMemoryEffect，OWSME)；(2)双程形状记忆效应(Two-WayShapeMemoryEffect，TWSME)；(3)全程形状记忆效应(All-WayShapeMemoryEffect，AWSME)。图9-3?形状记忆效应示意图
9.1.2发展现状与应用前景形状记忆合金马达，因具有尺寸小、成本低、无磁场干扰以及无需额外传感器即可实现精度定位、控制拉力大等显著特点，广泛应用于终端设备中，例如被用于摄像模组中驱动镜头移动，实现自动对焦和光学防抖（OIS）等功能。华为2019年发布的Mate30手机上就率先使用了这项技术。华为的记忆金属OIS马达是与位于美国的哈钦森科技合作研发的。在受到美国制裁后，华为向该“卡脖子”技术发起了攻关，最终2024年取得了自己的SMA马达专利，且掌握了相关自动化生产技术，打破了国外对SMAOIS马达的封锁和限制。
9.1.2发展现状与应用前景图9-4?由拉伸形状记忆聚合物制成的人造肌肉在加热时收缩、弯曲人体模型的手臂美国斯坦福大学鲍哲南教授团队在人造肌肉-高能形状记忆聚合物方面实现了重大突破。图9-4展示了该高能形状记忆聚合物在收缩、弯曲人体模型手臂上的应用。值得一提的是，该聚合物是使用简单的一锅法合成的，成本低（原料$5/kg）、组分简单、溶液可溶且密度低。2024年2月，华东理工大学曲大辉教授团队系统研究了[c2]雏菊链的机械互锁拓扑结构与形状记忆功能的构效关系，发现该类空间互锁结构有助于提高聚合物玻璃化转变温度，这对熵驱动形状记忆效应至关重要。同时，机械互锁拓扑结构极大地提高了聚合网络的机械性能，并显著增强了材料的形状恢复性能和抗疲劳特性，这一发现可为高性能动态智能材料的性能定制提供了重要依据。图9-5展示了不同形状下DCSM形状记忆聚合物的可逆致动行为。图9-5?不同形状下的DCSM聚合物的形状记忆行为
9.1.2发展现状与应用前景现有的形状记忆陶瓷研究受限于低材料普适性、低几何灵活性、小结构尺寸、及低形状记忆功能灵活性。为了解决上述诸多难题，香港城市大学吕坚院士研究组于2023年7月在国际著名期刊AdvancedMaterials上发表了4D增减材复合制造形状记忆陶瓷方向的最新成果。该研究提出了4D增减材复合制造形状记忆陶瓷的新范式，实现了一步式变形变质4D打印陶瓷，兼具高2D/3D/4D精度、高效率及大尺寸；研发了具有初始/反向、整体/局部多模式形状记忆功能的宏观尺寸形状记忆陶瓷，建立了智能化控材控形控性策略；提升了所打印复杂网