光响应形状记忆聚合物的制备及其切口诱导变形性能研究

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作为一种刺激响应型智能变形材料,形状记忆聚合物具有低成本、易加工、形状记忆变形种类多等优点,将2D形状记忆聚合物材料装配成3D智能构件,在航天航空、软体机器人、生物医疗服务等领域具有巨大的应用价值。传统热致型形状记忆聚合物往往需要复杂的热场刺激源,且操作不便,严重限制其实际应用,而光驱动具有即时、非接触、可控性好、可局部刺激等多种特点。另外,形状记忆聚合物的变形往往是一种整体变形,无法实现精细、复杂的局部异性变形。目前主要通过材料复合、整体结构设计来提高其智能变形性能,而通过局域微纳结构设计的策略研究尚属空白。本论文以光交联半结晶聚合物乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)为研究对象,掺杂光热效应优异的银纳米线(Ag NWs),制备光响应型智能变形材料;通过激光刻蚀形成切口,研究切口形状、深度、排布等因素对其变形性能影响,并通过力学仿真模拟分析其微观机制。首先,通过紫外光辐照交联制备EVA薄膜,研究引发剂含量等参数对其微观结构和热致形状记忆性能的影响。结果表明,随着引发剂和交联剂含量的增加(0~6%),EVA薄膜的交联度和结晶度增大,其拉伸强度提高50%、形状回复率提高至92.2%;而引发剂和交联剂含量继续增加时,EVA交联度和形状记忆性能基本不变。可见6%为优化引发剂和交联剂含量。其次,通过溶液共混的方法制备Ag NWs掺杂EVA复合材料,研究Ag NWs掺量对其微观结构、光响应形状记忆性能的影响。结果表明,Ag NWs掺杂使得光交联薄膜凝胶含量下降交联度降低,结晶度降低,结晶温度升高,对熔融温度影响不大。在808 nm红外激光照射下,Ag NWs优良的光热效应,复合膜具有可逆双向光响应性能。通过激光蚀刻技术在复合膜表面蚀刻微米级切口,研究切口深度、排布、数量对其光响应变形性能的影响。结果发现位于内侧切口随着切口深度的增加光响应时间逐渐缩短,形状回复率在切口最深时回复率最高为65.8%;切口位于两侧的响应时间最短,形状回复率最高;光响应时间随着切口数目的增加逐渐缩短,切口为两条时具有最大的形状回复率。通过ANSYS Workbench对复合膜在固定位移载荷下的静力学分析发现切口的引入使得复合材料产生局部应力集中,切口处的最大应力随着切口深度增加而减小,切口数目增加使得应力集中在切口分布区域。本论文通过引入微尺度切口提高了光响应形状记忆聚合物复合材料的变形性能,为形状记忆聚合物实现即时、更复杂、更精细的智能变形提供了一种新途径,对形状记忆聚合物在软体机器人、生物医疗领域的应用具有重要的实际意义。
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