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浙大羅英武教授團(tuán)隊(duì)《Adv. Funct. Mater.》：拉伸激活的可重編程的變形復(fù)合彈性體
2022-06-16  來源：高分子科技

  材料的力學(xué)響應(yīng)可以是（黏）彈性或者塑性。例如，彈性體材料受到拉伸后釋放會(huì)恢復(fù)其原始形狀；而塑料在拉伸后屈服，會(huì)出現(xiàn)殘余應(yīng)變。如果不同的力學(xué)響應(yīng)可以在一塊材料中局部地被編程和反復(fù)定義，這種局部力學(xué)響應(yīng)失配的材料就有機(jī)會(huì)在一次簡(jiǎn)單的拉伸釋放后，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜且可重構(gòu)的變形。


  浙江大學(xué)化工學(xué)院羅英武教授課題組設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單的二元材料體系（相變石蠟分子+彈性體）實(shí)現(xiàn)了上述設(shè)想。以最簡(jiǎn)單的構(gòu)形（圖1）為例，將彈性體膜單側(cè)暴露在熔融的石蠟液層中，石蠟分子的擴(kuò)散會(huì)在彈性體膜的厚度方向制造濃度梯度。冷卻至室溫后，引入的石蠟分子在彈性體網(wǎng)絡(luò)中結(jié)晶。在室溫下單軸拉伸并釋放復(fù)合彈性體膜后，石蠟富集的區(qū)域產(chǎn)生塑性，而石蠟少的區(qū)域發(fā)生彈性回復(fù)，這種彈塑性響應(yīng)的失配使復(fù)合彈性體薄膜產(chǎn)生彎曲變形。其中，石蠟富集區(qū)域中的塑性響應(yīng)是由于破碎的石蠟晶體阻礙了彈性體網(wǎng)絡(luò)的回復(fù)。
 

圖1. 復(fù)合彈性體膜拉伸-釋放后的基礎(chǔ)變形行為


  除了控制厚度方向上的力學(xué)響應(yīng)差異，彈性體平面方向內(nèi)的不同力學(xué)響應(yīng)可以在圖案化掩膜的幫助下被局部定義。在單軸或雙軸拉伸后釋放圖案化的復(fù)合彈性體膜，二維的薄膜可以變形為復(fù)雜的預(yù)設(shè)的三維形狀：從彎曲（圖2a），變高斯曲率（圖2b）等基本構(gòu)形到它們的復(fù)雜組合（圖2c-h）。 


圖2. 通過空間圖案化復(fù)合彈性體膜拉伸-釋放后的復(fù)雜變形行為


  區(qū)域力學(xué)響應(yīng)失配的拉伸激活的變形行為可以通過石蠟溶脹動(dòng)力學(xué)以及材料力學(xué)的耦合進(jìn)行預(yù)測(cè)（圖3a-b）。溶脹動(dòng)力學(xué)控制了石蠟的空間分布，從而可以控制最終形狀。因此，溶脹時(shí)間也可以作為一個(gè)參數(shù)來調(diào)控拉伸激活后的彎曲曲率、面外變形高度（圖3c-d）。 


圖3. 拉伸激活形狀的理論預(yù)測(cè)以及通過溶脹時(shí)間編程最終激活的形狀


  二維薄膜拉伸激活為三維形狀的過程是可逆的（圖4a-c）。而全局拉伸激活形狀變形，輔助以局部點(diǎn)加熱形狀回復(fù)，提供了一種多次編程不同形狀的手段（圖4d-e）。并且，區(qū)域化的力學(xué)響應(yīng)可以被重新編程（圖4f-g）。 


圖4. 可逆變形和重編程變形路徑的策略


  該工作通過在彈性體膜中空間圖案化分布可結(jié)晶石蠟分子，局部編程彈性和塑性，簡(jiǎn)單高效地制備了一種拉伸激活的變形復(fù)合彈性體。得到的形狀變形是可逆的、可重新編程的和可預(yù)測(cè)的。當(dāng)前的策略可以為軟變形設(shè)備的設(shè)計(jì)提供一個(gè)多功能平臺(tái)，并且局部彈塑性的成功整合也為有望為制造全新的機(jī)械超材料提供新機(jī)會(huì)。相關(guān)工作以“Stretch-Activated Reprogrammable Shape-Morphing Composite Elastomers”發(fā)表在Advanced Functional Materials期刊上，論文的第一作者是課題組博士生唐加利、陳哲琪。


  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202203308

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