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  智能材料中TiNi形狀記憶合金是應用最廣泛的形狀記憶材料，但其形狀轉變溫度低于100 °C。高溫形狀記憶合金在智能推進器、大功率機械控制、高驅動力裝置等領域有重要應用，但制備難度大、產率低、成本高，嚴重限制產品開發應用。形狀記憶聚合物相比合金具有加工容易、重量輕等優點，但低回復應力是阻礙其推廣使用的重要原因。文獻中TiNi形狀記憶合金、高溫形狀記憶合金、形狀記憶聚合物回復應力通常分別為200~760, 100~500和4-10 MPa。因此，回復應力高、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際應用價值。

  通過采用聚酰亞胺碳纖維布預浸料，哈爾濱工業大學肖鑫禮等用普通設備和簡單步驟研制出回復應力達到高溫合金水平、驅動器性能和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, 拉伸強度413 MPa。該材料具有優異的彎曲性能，常規三點彎曲測試不能損傷(圖1.b)；外力撤掉后恢復其原來形狀(圖1.c)。

圖1. 制備方法便捷的高回復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原樣(c).

  高回復力形狀記憶聚酰亞胺材料的玻璃化轉變溫度(T_g)可以在200~400 °C之間可控調節，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的應力拉開 (步驟 1), 然后降低應力以固定應變(步驟 2)。固定應變冷卻，應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 ，應力隨加熱時間增加而升至最大值 (步驟5)。HRSMPI的回復應力是116 MPa (圖 2a), 而純SMPI 的回復應力則是6.8 MPa (圖 2b)。FeMnSiCrNi 和退火FeMnSi高溫合金的回復應力分別是120 MPa 和 110 MPa,  因此高回復力形狀記憶聚酰亞胺的回復應力達到高溫形狀記憶合金水平。

圖2.  高回復力形狀記憶聚酰亞胺(a) 和純形狀記憶聚酰亞胺(b)的回復應力

  為驗證工作性能，將其制成簡易驅動器。用0.2946 g高回復力聚酰亞胺制成的驅動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 高回復力形狀記憶聚酰亞胺制成的簡易驅動器可掀翻43.51 g 金屬板，其在320 oC 熱臺上0 s (a), 48 s (b), 69 s (c), 71 s (d), 72 s (e), 和73 s (f)的形狀。

  將已經在航空航天等領域得到應用的TiNiHf高溫形狀記憶合金作為參照物，用0.0126 g TiNiHf制作的簡易驅動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；多組驅動器實驗證明高回復力形狀記憶聚酰亞胺具有高可靠性。高回復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動器可掀翻2.0107 g金屬板條，其在熱臺上0 s (a), 12 s (b), 23 s (c), 29 s (d), 38 s (e), 和39 s (f)的形狀.

  因其制備簡單便捷、高溫形狀記憶、高回復應力及低密度等特性，高回復力形狀記憶聚酰亞胺材料在高溫智能器件中有重要應用前景。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：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