一种电驱动形状记忆复合材料及其制备方法和应用

本发明涉及一种形状记忆材料，具体涉及一种电驱动形状记忆复合材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、4d打印是在3d打印的基础上增加一个时间维度，使得打印后的构件能够响应外界环境的刺激而做出相应的改变。4d打印的核心可归纳为智能材料和预计算。一方面，4d打印所用的材料是智能材料，即能够改变自身结构或形状来响应外界环境刺激的材料；另一方面，在充分理解材料性能和预期要求后对材料进行结构设计，使打印构件在一定刺激下能够按照预期的方式变形以实现某些特定功能。就目前而言，4d打印技术还处在萌芽阶段，相关研究也主要集中在打印材料、材料预计算以及打印平台三个方面。就打印材料而言，目前最为常用的是水凝胶和形状记忆聚合物。其中形状记忆聚合物是指具有初始形状的制品在一定的条件下改变其初始条件并固定后，通过外界条件(如温度、电场、磁场、光、ph值、离子浓度等)的刺激又可恢复其初始形状的高分子材料。正是由于智能材料的使用，才使得由4d打印制作的物体能够在外界环境因素的影响下产生形状或功能的改变，因此对4d打印材料的研究具有重大的意义。

2、根据响应外界刺激的形式不同可将形状记忆聚合物分为热驱动型、电驱动型、光驱动型、化学感应型等，其中热驱动型形状记忆聚合物的种类较多，应用也更广泛。目前而言，常用的形状记忆聚合物有聚氨酯(pu)、聚乙烯醇(pva)以及聚乳酸(pla)等，其中pva凭借变形量大、成膜性和结晶性好以及制备工艺简单等优点得以广泛应用。但是作为一种热驱动型形状记忆聚合物，其发挥作用往往需要复杂的外部加热装置且变形不易控制，因此在实际应用中存在一定的局限性。电驱动型相较于热驱动型而言，其形状恢复过程可由外界电压驱动，容易实现材料的可控变形以及远距离控制，很适合应用在实际生产中，但是电驱动型形状记忆聚合物种类比较少，很难满足实际需求。

3、总体来说，目前能够应用在4d打印中的智能材料种类较少，并且在实际应用过程中能使智能材料发挥作用的外部条件也存在着局限性，因此研究新型驱动方式的智能材料是4d打印技术发展的一个重要方向。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了提供一种电驱动形状记忆复合材料及其制备方法和应用，以解决现有技术中电驱动型记忆材料种类少、难以满足实际需求，实现同时具备热响应和电响应能力，从而简化驱动材料变形的外部条件，拓展其应用领域。

2、本发明的目的通过以下技术方案实现：

3、本发明第一方面公开了一种电驱动形状记忆复合材料，该复合材料以聚乙烯醇(pva)为基质，导电增强填料均匀填充于基质中。

4、所述的导电增强填料沿外加电场方向排列，该外加电场在制备过程中施加。

5、优选地，所述的导电增强填料为短切碳纤维(scf)，由常规碳纤维经短切机或纤维切断机加工而成。

6、pva是制备聚合物共混物和形状记忆复合材料最有吸引力的高分子材料之一，具有变形量大、成膜性和结晶性好以及易溶于温水等优点；scf是由碳纤维长丝经纤维切断机加工而成，不仅具有良好的导电性，易于形成导电网络，而且还有比强度高、比模量高、耐高温蠕变、热膨胀系数低等一系列优异性能。scf材料可以均匀地填充在聚乙烯醇基质中并保持良好的稳定性。scf材料的添加不仅会改善pva材料的综合性能(包括力学性能、导电性能以及形状记忆性能)，而且在制备过程中引入的电压可使scf微粒沿着电场方向重排，形成有序的导电网络，使复合材料既可以响应热刺激又可以响应电刺激。本发明制备的这种新型复合材料可以利用外部电压来控制材料的形状记忆行为，使其以精确受控的方式实现远程控制。

7、优选地，所述的导电增强填料在复合材料中的质量百分含量为2-10％。

8、本发明第二方面公开了一种制备如上任一所述的电驱动形状记忆复合材料的方法，包括如下步骤：

9、s1：配置pva溶液：称量聚乙烯醇，并将其充分溶解于去离子水中；

10、s2：配置导电增强填料/水分散体：称量导电增强填料，并将其超声分散于去离子水中；

11、s3：混合：混合步骤s1配置的pva溶液以及步骤s2配置的导电增强填料/水分散体，随后进行搅拌，使混合液呈均质分散；

12、s4：脱气泡：将步骤s3混合后的混合液进行真空脱气泡处理；

13、s5：通电处理：将步骤s4脱气泡后的混合液加入至带有至少一对电线的模具中，其中电线呈平行布置，随后向电线持续施加电压，通过外加电场改变导电增强填料的排列方向(沿电场方向排列)，形成有序的导电网络；

14、s6：干燥：将步骤s5经通电处理的混合液进行干燥处理，脱模后得到所述的复合材料。

15、优选地，步骤s5中，通过向电线施加8-12v制备电压并持续作用20s，从而改变导电增强填料的排列方向。在材料制备过程中持续引入外部电压并作用一定时间，使得导电增强填料在电场作用下能够沿电压方向重新排列并形成稳定的导电网络。

16、优选地，所述的电线为金属导线。

17、优选地，步骤s6中，混合液干燥处理6h成膜。

18、本发明第三方面公开了一种如上任一所述的电驱动形状记忆复合材料在智能可折叠设备中的应用。

19、本发明第四方面公开了一种如上任一所述的电驱动形状记忆复合材料在生物医疗设备中的应用。

20、本发明第五方面公开了一种如上任一所述的电驱动形状记忆复合材料在航空航天设备中的应用。

21、本发明的工作原理为：

22、在材料制备过程中持续引入外部电压并作用一定时间，使得导电增强填料在电场作用下能够沿电压方向重新排列并形成稳定的导电网络。结合pva基质的使用，使该复合材料同时具备响应温度和电压两种外界刺激的能力，并且由电刺激驱动的形状记忆行为要优于热刺激。

23、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

24、为解决如上述存在的问题，一方面可以通过研发性能优良且控制方便的全新材料，另一方面可以通过引入增强材料来增加材料的功能特性。本发明采用了第二种思想，通过以热驱动型形状记忆聚合物为基质并添加导电增强填料来获得一种同时具备热响应和电响应能力的新型电驱动型形状记忆复合材料，从而简化了驱动材料变形的外部条件，扩展材料的驱动方式，使其有更好的使用价值和应用领域。

25、具体来说：

26、(1)本发明基于pva和导电增强填料制备的新型形状记忆复合材料能够同时响应热刺激和电刺激，其多响应性极大简化了材料形状记忆效应的驱动方式并且扩宽了材料的应用领域，促进了4d打印技术的发展。例如，在纺织设计领域，采用该种新型形状记忆材料制成的兼顾保温与变形功能的智能运动服可以通过电刺激与热刺激调整服装的合身性与恒温舒适度。在电子产品设计领域，该种新型形状记忆材料的电响应能力可以被用于调控相机镜头焦距，优化手机镜头组件的结构设计。在智能可折叠设备领域，该种新型形状记忆材料可以优化卫星太阳能自展开板的结构设计。在生物医疗设备领域，该种新型形状记忆材料创建的手术器械可用于解决体内狭窄空间手术难题。在航空航天领域，该种新型形状记忆材料创建的可变形机翼结构可在电刺激、热刺激下改变结构形状响应空气动力学。

27、(2)通过本发明提供的技术方案，导电增强填料可以均匀地沿电场方向分布在pva基质中，使得新型复合材料相较于无添加的纯pva材料在形貌结构、力学强度、导电性能以及形状记忆性能方面都有较大的提升。主要结论：填充scf在pva基体中形成导电网络，提高了pva/scf复合材料的电性能、力学性能和形状记忆性能。经测试，施加制备电压对电导率提升23.86％，对最大应力增加9.22％，杨氏模量增加74.3％。在形状记忆过程中，相比于热激活，pva/scf复合材料对电刺激更敏感，形状记忆性能更强，形状恢复时间更短。其中，scf10样本保留率最高，rf(形状记忆恢复率)值达到98.23％，形状恢复时间为31s。

28、(3)本发明涉及的新型热电形状记忆复合材料的制备工艺流程少，操作简单，生产效率高。同时导电增强填料，尤其是短碳纤材料，和聚乙烯醇材料来源广泛，容易获取，为新型复合材料的工业化制备提供了可能。