2024年3月10日发(作者：)

形状记忆智能材料

智能材料结构又称机敏结构(Smart/Intelligent

MaterialsandStructures)，泛指将传感元件、驱动元件以

及有关的信号处理和控制电路集成在材料结构中，通过机、

热、光、化、电、磁等激励和控制，不仅具有承受载荷的能

力，而且具有识别、分析、处理及控制等多种功能，能进行

自诊断、自适应、自学习、自修复的材料结构。智能材料结

构是一门交叉的前沿学科，所涉及的专业领域非常广泛。智

能材料可以分为形状改变材料（SCM）和形状记忆材料（SMM）

两类。SCM本身就是一个开关，在外部刺激的作用下，它陪

伴着临时转换机制，即当移除外部触发器（刺激）时，转换

后的实体便回到其原始形状。相反，SMM会适应触发的形状

或临时形状，除非另一个触发器将变化推回其原始形式，并

且材料能够追踪在刺激作用下自身经历的转换路径。具有形

状记忆特性的材料分为形状记忆水凝胶（SMH）、形状记忆陶

瓷（SMC）、形状记忆合金（SMA）、形状记忆复合材料（SMC）

和聚合物（SMP），其中SMP是研究最多的类别。

1、形状记忆聚合物（SMP）

SMP是一组可以在有外部刺激（例如热或光）的情况下保

持临时形状并恢复其初始形状的聚合物。由于其相对高的模

量和刺激响应速度，形状记忆聚合物是最广泛使用的活性材

料。对于SMP实现形状转移行为，它需要一个编程步骤和一

个恢复步骤。在编程步骤中，SMP首先在高于转变温度（Tt）

的温度下变形（对于半结晶聚合物，其熔化温度为Tm，对

于无定形聚合物的玻璃化转变温度为Tg），然后冷却至Tt

以下，SMP以变形形状编程（或固定）。通过恢复步骤实现

形状转变，在恢复步骤中，SMP被加热到高于Tt的温度，

并且由于熵弹性，SMP恢复到其原始形状。为了更好地协助

SMP在4D打印领域的应用，应该通过适当的理论模型很好地

描述上述形状记忆（SM）行为。在SMP现有模型中，基于

热粘弹性模型和基于相位演变的模型已被广泛采用。然而，

相对依赖于时间的形状演化，设计师更感兴趣的是如何通过

材料建模和结构设计以实现期望的目标形状。

SMP对环境（刺激）敏感，因为它们的SME特征使尺寸可

能发生变化，从而确保较低的成本（进料和加工）、重量因

子、可用原料、转化温度边界和表面框架。它们为刺激下形

状记忆的可逆性研究提供了空间，在4D打印材料研究中被

广泛探索，得到了极大的利用，例如PLA、PC、丙烯酸酯、

ABS等或它们的混合物极大地推动了其在飞机、纺织品、航

空航天和其他领域的应用。根据诱导SME的刺激的类型，

大多数的SMP分为热响应、光响应、电响应和化学反应性的

SMP；根据其刺激相应机制可分为：热致型SMP、电致型SMP、

光致型SMP、化学感应型SMP等。