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研究概述

本研究的主要作者为Xiaoyu Du、Fenghua Zhang、Likai Hu、Lan Luo、Zhengxian Liu及Yanju Liu，由Harbin Institute of Technology (HIT, 哈尔滨工业大学)下属的“Centre for Composite Materials and Structures”以及“Department of Astronautic Science and Mechanics”团队共同完成，并由Jinsong Leng担任通讯作者。本研究发表于《Composites Part A》期刊，文章编号为190 (2025) 108595，在线发布日期为2024年11月26日。

学术背景

本研究属于智能材料与结构工程领域，致力于解决制造业中复杂结构零部件模具的设计和生产难题。传统模具在生产具有可变结构、可变曲率、以及可变横截面的部件时面临诸多挑战，例如难以脱模、设计复杂、模具自重过高等问题，极大限制了生产效率与复杂结构的开发。为了应对这些挑战，研究者们探索了基于形状记忆聚合物（Shape Memory Polymers, SMPs）的智能模具，这类材料可以在外部刺激（如热电光磁等）作用下主动变形并恢复初始形状，具有轻质、高强度、多样化驱动模式的优点。

尽管现有SMPs的智能模具已被成功应用于某些领域，如纤维缠绕部件的制造，但在大腔体部件成型中仍存在变形能力有限、成型过程中易撕裂或断裂等问题。这表明设计具备更高变形能力、更优机械性能的新型SMP材料迫在眉睫。本研究旨在开发具有可编程形状记忆特性与较大变形能力的热固性形状记忆聚苯乙烯（Styrene），并探索其在智能模具领域中的应用潜力。

研究流程

制备与实验步骤

1. SMPs的合成 本研究采用简便的“一锅法”合成SMPs，通过热引发剂实现自由基聚合反应。以苯乙烯（Styrene, ST）为基础，研究者加入不同种类的交联剂（如聚乙二醇二丙烯酸酯PEGDA和二乙烯基苯DVB）和引发剂过氧化苯甲酰（Benzoyl Peroxide, BPO），经加热固化后得到系列SMP样品（SMP1、SMP2、SMP3）。这些材料通过差示扫描量热法（DSC）、红外光谱（FTIR）及热重分析（TGA）表征结构和性能。

2. SMP复合材料（SMPCs）的制备 SMPCs通过在树脂基体中加入尼龙-氨纶（Nylon-Spandex）织物网络来制备。纤维织物以指定角度（如±45°或0°/90°）铺设于模具中，与SMP基体共同固化形成复合材料（SMPC1、SMPC2）。该织物网络设计对裂纹扩展的抑制能力及材料变形能力进行了研究。

3. 性能测试

   • 动态机械分析（DMA）和DSC测试材料对温度的敏感性，表征形变温度（Tg）。
   • 静态拉伸试验评估材料的断裂伸长率、拉伸模量及韧性。
   • SEM观察断裂后材料的微观形貌，评估纤维与基体的结合性。
   • 在85°C下测试材料的形状记忆恢复过程，验证形状固定率和恢复率。

4. 智能模具的应用验证 利用Abaqus有限元软件模拟智能模具受吹塑气压作用下的变形过程，通过实验证实材料从平面到复杂3D结构成型与脱模的能力。

研究主要结果

1. SMPs的性能特点

   • FTIR表明所合成样品形成了三维交联网络，C=C双键完全参与反应。
   • DSC曲线显示SMP1、SMP2和SMP3的Tg分别为71.8°C、64.6°C和64.4°C，说明引入柔性链段显著降低了材料的Tg。
   • TGA结果验证了所制备材料在室温下具有优良的热稳定性，并表现出两阶段热降解特性。

2. SMPCs的力学性能与形状记忆性能

   • SMPC1对±45°铺设纤维网引入的增强效果显著，断裂伸长率达到370%，相较单一SMP提高120%。
   • DMA检测的存储模量表明SMPCs在不同温度下具有动态可调节的刚度。
   • SMPC1和SMP2在多次形状记忆循环测试中，其形状固定率和恢复率均超过99%。

3. 智能模具的制造与性能测试

   • SMPC用于瓶式大腔体智能模具，其在成型与脱模中展示了独特的可重复性和耐久性。在110°C恢复过程中，瓶状模具在145秒内快速恢复原型，并在吹塑后5天内形状固定率达99%。

4. 智能结构与应用开发

   • SMPCs在2D平面变3D、3D模具成型4D变形部件的应用中表现出极大的多样化，拓展了在智能遮阳板、可编程玩具、大腔体空气管道等领域的应用潜力。

研究结论与意义

• 科学价值：本研究通过刚柔耦合的分子设计策略，成功开发出具有高模量、大变形能力的热固性形状记忆聚苯乙烯及其复合材料，为智能模具材料体系提供了重要突破。
• 应用价值：具有大形变和可重复性的新型SMPs和SMPCs为复杂结构零部件的高效制造、自动脱模和技术升级铺平了道路。
• 重要观点：研究结果显示，通过定制的分子结构与纤维增强策略，可有效提升智能材料的综合性能，满足未来制造业的多样化需求。

研究亮点

1. 首次实现热固性SMPs最大形变率高达370%的突破。
2. 将尼龙-氨纶纤维网引入SMP基体，有效提升复合材料的断裂性能与断裂延性。
3. 设计和开发了可重复使用且适用于大腔体部件的智能模具，并优化了脱模工艺。
4. 在4D变形及可编程多功能智能结构的开发中展示了材料和技术的广泛适用性。

总结

本研究在智能模具、复合材料及形状记忆技术领域取得了显著进展，为下一代复杂零部件制造体系的发展提供了基础支持和创新方向，同时对智能材料在航空航天、医疗和工业制造等领域的应用推广具有重要意义。