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  智能材料中TiNi形狀記憶合金是應(yīng)用最廣泛的形狀記憶材料，但其形狀轉(zhuǎn)變溫度低于100 °C。高溫形狀記憶合金在智能推進(jìn)器、大功率機(jī)械控制、高驅(qū)動(dòng)力裝置等領(lǐng)域有重要應(yīng)用，但制備難度大、產(chǎn)率低、成本高，嚴(yán)重限制產(chǎn)品開發(fā)應(yīng)用。形狀記憶聚合物相比合金具有加工容易、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，但低回復(fù)應(yīng)力是阻礙其推廣使用的重要原因。文獻(xiàn)中TiNi形狀記憶合金、高溫形狀記憶合金、形狀記憶聚合物回復(fù)應(yīng)力通常分別為200~760, 100~500和4-10 MPa。因此，回復(fù)應(yīng)力高、工作性能好、制備便捷、成本低的高溫形狀記憶材料具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

  通過(guò)采用聚酰亞胺碳纖維布預(yù)浸料，哈爾濱工業(yè)大學(xué)肖鑫禮等用普通設(shè)備和簡(jiǎn)單步驟研制出回復(fù)應(yīng)力達(dá)到高溫合金水平、驅(qū)動(dòng)器性能和TiNiHf高溫合金類似的形狀記憶聚酰亞胺材料(HRSMPI)。可獲得大尺寸HRSMPI樣品(圖1.a)，單層厚度0.2 mm，拉伸模量11.5 GPa, 拉伸強(qiáng)度413 MPa。該材料具有優(yōu)異的彎曲性能，常規(guī)三點(diǎn)彎曲測(cè)試不能損傷(圖1.b)；外力撤掉后恢復(fù)其原來(lái)形狀(圖1.c)。

圖1. 制備方法便捷的高回復(fù)力形狀記憶聚酰亞胺材料可形成大尺寸樣品(a)，大幅度彎曲(b)，并在外力撤銷后恢復(fù)原樣(c).

  高回復(fù)力形狀記憶聚酰亞胺材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(T_g)可以在200~400 °C之間可控調(diào)節(jié)，其中一種典型HRSMPI的T_g為300 oC。該材料被加熱到320 oC并用350 MPa的應(yīng)力拉開 (步驟 1), 然后降低應(yīng)力以固定應(yīng)變(步驟 2)。固定應(yīng)變冷卻，應(yīng)力隨溫度降低升高到387 MPa (步驟3)。撤去外力(步驟 4)，在受約束下再次升溫到 320 oC ，應(yīng)力隨加熱時(shí)間增加而升至最大值 (步驟5)。HRSMPI的回復(fù)應(yīng)力是116 MPa (圖 2a), 而純SMPI 的回復(fù)應(yīng)力則是6.8 MPa (圖 2b)。FeMnSiCrNi 和退火FeMnSi高溫合金的回復(fù)應(yīng)力分別是120 MPa 和 110 MPa,  因此高回復(fù)力形狀記憶聚酰亞胺的回復(fù)應(yīng)力達(dá)到高溫形狀記憶合金水平。

圖2.  高回復(fù)力形狀記憶聚酰亞胺(a) 和純形狀記憶聚酰亞胺(b)的回復(fù)應(yīng)力

  為驗(yàn)證工作性能，將其制成簡(jiǎn)易驅(qū)動(dòng)器。用0.2946 g高回復(fù)力聚酰亞胺制成的驅(qū)動(dòng)器可以在加熱條件下掀翻為其自身重量147倍的鋁板(43.51 g)，如圖3所示。

圖3.  用0.2946 g 高回復(fù)力形狀記憶聚酰亞胺制成的簡(jiǎn)易驅(qū)動(dòng)器可掀翻43.51 g 金屬板，其在320 oC 熱臺(tái)上0 s (a), 48 s (b), 69 s (c), 71 s (d), 72 s (e), 和73 s (f)的形狀。

  將已經(jīng)在航空航天等領(lǐng)域得到應(yīng)用的TiNiHf高溫形狀記憶合金作為參照物，用0.0126 g TiNiHf制作的簡(jiǎn)易驅(qū)動(dòng)器能夠推翻為其自身重量159倍（2.0107 g）的金屬板（圖4）。從工作性能上看，高回復(fù)力形狀記憶聚酰亞胺顯示了與TiNiHf 高溫形狀記憶合金類似的性能；多組驅(qū)動(dòng)器實(shí)驗(yàn)證明高回復(fù)力形狀記憶聚酰亞胺具有高可靠性。高回復(fù)力形狀記憶聚酰亞胺的密度為0.96 g/cm³, 低于TiNiHf 密度（6.5 g/cm³）的1/6。

圖4. 用0.0126 g TiNiHf 高溫形狀記憶合金制作的驅(qū)動(dòng)器可掀翻2.0107 g金屬板條，其在熱臺(tái)上0 s (a), 12 s (b), 23 s (c), 29 s (d), 38 s (e), 和39 s (f)的形狀.

  因其制備簡(jiǎn)單便捷、高溫形狀記憶、高回復(fù)應(yīng)力及低密度等特性，高回復(fù)力形狀記憶聚酰亞胺材料在高溫智能器件中有重要應(yīng)用前景。在某些情況下，也有可能成為高溫形狀記憶合金制品的輕量化替代品。

  參考文獻(xiàn)：Deyan Kong, Jie Li, Anru Guo, Jianxin Yu, Xinli Xiao*. Smart polyimide with recovery stress at the level of high temperature shape memory alloys. Smart Mater. Struct. 2021, 30, 035027.

  原文鏈接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-665X/abe182

  下載：Smart polyimide with recovery stress at the level of high temperature shape memory alloys