快響應(yīng)雙向形狀記憶聚氨酯復(fù)合材料：制備工藝、性能表征與應(yīng)用探索一、引言1.1研究背景與意義在材料科學(xué)的發(fā)展歷程中，形狀記憶材料作為一類智能材料，因其獨特的性能和廣泛的應(yīng)用前景，吸引了眾多科研人員的目光，成為研究熱點。形狀記憶材料是指具有一定初始形狀的材料，經(jīng)過形變并固定成另一種形狀后，通過熱、光、電等物理或化學(xué)刺激處理，又能恢復(fù)成初始形狀的材料。其主要包括形狀記憶合金、形狀記憶陶瓷和形狀記憶聚合物。1932年，瑞典人奧蘭德在金鎘合金中首次觀察到“記憶”效應(yīng)，開創(chuàng)了形狀記憶材料的研究先河。此后，形狀記憶合金在航空航天、機械電子、生物醫(yī)療等多個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。1948年，日本Nipponzeon公司生產(chǎn)了一種以Polynorborene為基體的聚合物材料，具有一定形狀記憶效應(yīng)，標(biāo)志著形狀記憶聚合物的誕生。相較于形狀記憶合金，形狀記憶聚合物具有質(zhì)輕、制備成本低、易于賦形、形變量大等優(yōu)點，受到越來越多的關(guān)注。形狀記憶聚合物根據(jù)形狀轉(zhuǎn)變的可逆性，可分為單向形狀記憶聚合物（1W-SMP）和雙向形狀記憶聚合物（2W-SMP）。大多數(shù)傳統(tǒng)的形狀記憶聚合物為單向形狀記憶聚合物，當(dāng)材料由臨時形狀回復(fù)到初始形狀后，在沒有再次賦形的情況下無法實現(xiàn)臨時形狀與初始形狀之間的轉(zhuǎn)換，這限制了其在一些重要領(lǐng)域的應(yīng)用，如執(zhí)行器和智能開關(guān)領(lǐng)域。而雙向形狀記憶聚合物能夠在一次賦形后，在外界刺激下實現(xiàn)臨時形狀與初始形狀之間的可逆轉(zhuǎn)換，可滿足更加復(fù)雜的應(yīng)用條件和環(huán)境，具有更廣闊的前景及重要的研究意義。在雙向形狀記憶聚合物中，雙向形狀記憶聚氨酯復(fù)合材料憑借其獨特優(yōu)勢脫穎而出。聚氨酯是一類新型的功能高分子材料，具有良好的生物相容性。雙向形狀記憶聚氨酯復(fù)合材料不僅具備聚氨酯材料出眾的機械性能，還擁有優(yōu)異的雙向形狀記憶效應(yīng)，能實現(xiàn)可逆變形。其原料選擇范圍廣，配方可調(diào)控性大，性能選擇范圍寬，能夠滿足眾多場合的應(yīng)用要求，具有較高的潛在應(yīng)用價值。例如，在智能紡織品領(lǐng)域，雙向形狀記憶聚氨酯復(fù)合材料可用于制造智能服裝，通過溫度變化實現(xiàn)服裝形狀的可逆改變，為用戶提供更加舒適和個性化的穿著體驗；在航空航天領(lǐng)域，可用于制造飛機結(jié)構(gòu)件，利用其形狀記憶特性實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)調(diào)整，提高飛機的性能和安全性。然而，目前大多數(shù)形狀記憶聚合物僅能實現(xiàn)單向形狀記憶效應(yīng)，限制了其應(yīng)用范圍。同時，部分雙向形狀記憶聚合物在形狀變化過程中需要保持一定外力才能實現(xiàn)雙向形狀記憶效應(yīng)，這對其實際應(yīng)用產(chǎn)生了限制。因此，制備無應(yīng)力下的快響應(yīng)雙向形狀記憶聚氨酯復(fù)合材料具有重要的理論研究價值和廣闊的應(yīng)用前景。通過深入研究快響應(yīng)雙向形狀記憶聚氨酯復(fù)合材料的制備及其性能，有望解決當(dāng)前形狀記憶聚合物存在的問題，推動形狀記憶材料在更多領(lǐng)域的應(yīng)用，為相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供新的材料選擇和技術(shù)支持。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀形狀記憶聚合物的研究歷史可追溯到20世紀40年代，1948年日本Nipponzeon公司生產(chǎn)的以Polynorborene為基體的聚合物材料，具有一定形狀記憶效應(yīng)，是早期形狀記憶聚合物的代表。此后，形狀記憶聚合物的研究不斷發(fā)展，20世紀80年代，以聚氨酯為基體的熱塑性形狀記憶聚合物因其加工性能好、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度范圍寬、應(yīng)變大且可通過加熱復(fù)原等優(yōu)點，受到廣泛關(guān)注。在雙向形狀記憶聚氨酯復(fù)合材料的制備方面，國內(nèi)外學(xué)者進行了大量研究。日本三菱重工公司率先研發(fā)出首例形狀記憶聚氨酯（SMPU），采用聚四氫呋喃二醇（PTMG）、4,4-二苯基甲烷二異氰酸酯（MDI）和1,4-丁二醇（BDO）聚合而成，通過調(diào)節(jié)原料選擇和配比可得到不同響應(yīng)溫度的產(chǎn)品。國內(nèi)相關(guān)研究起步稍晚，但發(fā)展迅速。中山大學(xué)的研究人員通過在聚氨酯主鏈中引入含雙鍵的軟段和硬段，制備了具有光響應(yīng)性的形狀記憶聚氨酯，拓寬了其響應(yīng)方式。在性能研究上，眾多學(xué)者聚焦于影響雙向形狀記憶聚氨酯復(fù)合材料性能的因素。研究發(fā)現(xiàn)，軟段和硬段的種類、含量以及它們之間的相容性對材料性能有顯著影響。以聚己內(nèi)酯（PCL）為軟段，甲苯2,4-二異氰酸酯（TDI）為硬段合成的含結(jié)晶軟段的SMPU，隨著硬段含量增加，結(jié)晶熔融溫度上升，結(jié)晶度下降，形狀回復(fù)率減小。此外，材料的結(jié)晶形態(tài)、交聯(lián)密度等也會影響其形狀記憶性能和力學(xué)性能。在應(yīng)用領(lǐng)域，雙向形狀記憶聚氨酯復(fù)合材料展現(xiàn)出廣闊的前景。在航空航天領(lǐng)域，可用于制造可展開結(jié)構(gòu)、機翼和尾翼的修復(fù)材料等，利用其形狀記憶特性實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)調(diào)整，提高飛行器的性能和可靠性。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，可用于制備脊柱植入材料、骨科創(chuàng)傷修復(fù)材料、藥物控釋載體等，良好的生物相容性使其在體內(nèi)應(yīng)用中具有優(yōu)勢。在智能紡織品領(lǐng)域，可制造智能服裝，通過溫度變化實現(xiàn)服裝形狀的可逆改變，為用戶提供更加舒適和個性化的穿著體驗。然而，當(dāng)前雙向形狀記憶聚氨酯復(fù)合材料的研究仍存在一些不足。一方面，部分材料的響應(yīng)速度較慢，難以滿足一些對快速響應(yīng)有要求的應(yīng)用場景，如高速運動部件的智能控制。另一方面，材料的穩(wěn)定性和耐久性有待提高，在長期使用過程中，形狀記憶性能可能會出現(xiàn)衰退，影響其實際應(yīng)用效果。此外，制備工藝的復(fù)雜性和成本較高也限制了其大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。未來的研究可朝著優(yōu)化制備工藝、提高材料性能、降低成本等方向展開，進一步拓展雙向形狀記憶聚氨酯復(fù)合材料的應(yīng)用范圍。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容制備快響應(yīng)雙向形狀記憶聚氨酯復(fù)合材料：以聚己二酸丁二醇酯二醇（PBA）、4,4'-二苯基甲烷二異氰酸酯（MDI）和1,4-丁二醇（BDO）為主要原料，通過預(yù)聚體法制備聚氨酯預(yù)聚體，再加入擴鏈劑進行擴鏈反應(yīng)，制備出形狀記憶聚氨酯基體。在制備過程中，系統(tǒng)研究軟段PBA的分子量、硬段含量以及擴鏈劑種類等因素對材料性能的影響，確定最佳制備工藝參數(shù)，以獲得具有良好形狀記憶性能和力學(xué)性能的聚氨酯基體。選擇合適的納米填料，如納米二氧化硅（SiO_2）、納米蒙脫土（MMT）等，通過溶液共混、熔融共混等方法將其均勻分散在聚氨酯基體中，制備出快響應(yīng)雙向形狀記憶聚氨酯復(fù)合材料。研究納米填料的種類、含量、分散狀態(tài)等因素對復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)、熱性能、力學(xué)性能以及形狀記憶性能的影響，明確納米填料與聚氨酯基體之間的相互作用機制，為提高復(fù)合材料性能提供理論依據(jù)。研究復(fù)合材料的性能：利用差示掃描量熱儀（DSC）、熱重分析儀（TGA）等儀器，測試復(fù)合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（T_g）、熔融溫度（T_m）、熱分解溫度等熱性能參數(shù)，分析熱性能與材料結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，探究熱性能對形狀記憶性能的影響規(guī)律。通過拉伸試驗機、動態(tài)力學(xué)分析儀（DMA）等設(shè)備，測試復(fù)合材料的拉伸強度、斷裂伸長率、彈性模量、阻尼性能等力學(xué)性能指標(biāo)，研究力學(xué)性能與材料組成、微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，分析納米填料對復(fù)合材料力學(xué)性能的增強機制。采用彎曲測試、形狀回復(fù)率測試等方法，研究復(fù)合材料在不同溫度、應(yīng)力條件下的雙向形狀記憶性能，分析形狀記憶性能與材料結(jié)構(gòu)、熱性能、力學(xué)性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，探究提高材料雙向形狀記憶性能的有效途徑。分析復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系：運用掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）等微觀分析手段，觀察復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)，包括納米填料的分散狀態(tài)、界面結(jié)合情況等，分析微觀結(jié)構(gòu)對材料性能的影響。結(jié)合熱性能、力學(xué)性能和形狀記憶性能的測試結(jié)果，建立復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與性能之間的定量關(guān)系模型，深入揭示復(fù)合材料的性能形成機制，為材料的優(yōu)化設(shè)計提供理論指導(dǎo)。1.3.2研究方法文獻研究法：全面收集國內(nèi)外關(guān)于形狀記憶聚合物、雙向形狀記憶聚氨酯復(fù)合材料的相關(guān)文獻資料，包括學(xué)術(shù)論文、專利、研究報告等。對這些資料進行系統(tǒng)梳理和分析，了解該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢以及存在的問題，為本研究提供理論基礎(chǔ)和研究思路，避免重復(fù)研究，確保研究的創(chuàng)新性和前沿性。實驗研究法：按照既定的配方和工藝，準確稱取PBA、MDI、BDO等原料，使用反應(yīng)釜、攪拌器等設(shè)備，通過預(yù)聚體法制備聚氨酯預(yù)聚體，再加入擴鏈劑進行擴鏈反應(yīng)，制備形狀記憶聚氨酯基體。在制備過程中，嚴格控制反應(yīng)溫度、時間、原料比例等參數(shù)，確保實驗的可重復(fù)性和結(jié)果的準確性。將納米填料與聚氨酯基體通過溶液共混或熔融共混的方式進行混合，使用雙螺桿擠出機、注塑機等設(shè)備制備快響應(yīng)雙向形狀記憶聚氨酯復(fù)合材料。通過改變納米填料的種類、含量等因素，制備一系列不同組成的復(fù)合材料樣品，用于后續(xù)性能測試和分析。性能測試法：使用DSC測試復(fù)合材料的T_g、T_m等熱性能參數(shù)，升溫速率為10℃/min，測試范圍為-50℃至200℃，在氮氣氛圍下進行測試，以準確表征材料的熱轉(zhuǎn)變行為。利用TGA測試復(fù)合材料的熱分解溫度和熱穩(wěn)定性，升溫速率為10℃/min，測試范圍為室溫至800℃，在氮氣氛圍下進行測試，分析材料在不同溫度下的熱分解過程和質(zhì)量變化情況。通過拉伸試驗機測試復(fù)合材料的拉伸強度、斷裂伸長率等力學(xué)性能指標(biāo)，拉伸速度為5mm/min，按照相關(guān)標(biāo)準制備和測試樣品，確保測試結(jié)果的可靠性。運用DMA測試復(fù)合材料的彈性模量、阻尼性能等動態(tài)力學(xué)性能，頻率范圍為1Hz至100Hz，溫度范圍為-50℃至200℃，升溫速率為3℃/min，分析材料在不同頻率和溫度下的力學(xué)響應(yīng)特性。采用彎曲測試方法，將復(fù)合材料樣品制成一定尺寸的長條狀，在不同溫度下進行彎曲變形，記錄變形角度和回復(fù)時間，測試其雙向形狀記憶性能。通過測量形狀回復(fù)率來定量評價材料的形狀記憶效果，形狀回復(fù)率計算公式為：形狀回復(fù)率（%）=（L_0-L_1）/（L_2-L_1）×100%，其中L_0為樣品初始長度，L_1為樣品變形后長度，L_2為樣品回復(fù)后的長度。數(shù)據(jù)分析方法：對性能測試得到的大量數(shù)據(jù)進行整理和統(tǒng)計分析，運用Origin、SPSS等數(shù)據(jù)分析軟件，繪制圖表，直觀展示材料性能與組成、結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。通過數(shù)據(jù)分析，找出影響復(fù)合材料性能的關(guān)鍵因素，確定各因素之間的相互作用規(guī)律，為材料的優(yōu)化設(shè)計提供數(shù)據(jù)支持。采用方差分析、回歸分析等統(tǒng)計方法，對實驗數(shù)據(jù)進行顯著性檢驗和相關(guān)性分析，評估各因素對材料性能影響的顯著性水平，建立材料性能與影響因素之間的數(shù)學(xué)模型，預(yù)測材料性能的變化趨勢，為材料的進一步研究和應(yīng)用提供理論依據(jù)。二、快響應(yīng)雙向形狀記憶聚氨酯復(fù)合材料的制備2.1原材料選擇制備快響應(yīng)雙向形狀記憶聚氨酯復(fù)合材料所需的原材料主要包括聚氨酯、增強材料和助劑等，各原材料的特性及對材料性能的影響如下：聚氨酯：聚氨酯是復(fù)合材料的基體，由多異氰酸酯、多元醇和擴鏈劑等反應(yīng)生成。其性能受多種因素影響，如軟段和硬段的種類、含量以及它們之間的相容性等。軟段一般由聚醚二醇或聚酯二醇組成，賦予材料柔韌性和彈性。聚醚二醇型軟段具有良好的耐水性和低溫性能，聚酯二醇型軟段則能提供較高的強度和耐熱性。硬段由多異氰酸酯和擴鏈劑反應(yīng)形成，決定了材料的剛性和強度。在本研究中，選用聚己二酸丁二醇酯二醇（PBA）作為軟段，4,4'-二苯基甲烷二異氰酸酯（MDI）作為硬段，1,4-丁二醇（BDO）作為擴鏈劑。PBA具有良好的結(jié)晶性能，能提高材料的形狀記憶性能。MDI反應(yīng)活性較高，可形成剛性較強的硬段，提高材料的強度。BDO能有效擴鏈，調(diào)節(jié)聚氨酯的分子量和性能。通過調(diào)整PBA、MDI和BDO的比例，可以控制聚氨酯的軟段和硬段含量，從而調(diào)控材料的性能。增強材料：為提高聚氨酯復(fù)合材料的性能，常加入增強材料，如納米二氧化硅（SiO_2）、納米蒙脫土（MMT）等納米填料。納米SiO_2具有粒徑小、比表面積大、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點。加入納米SiO_2后，可與聚氨酯基體形成較強的界面相互作用，限制分子鏈的運動，從而提高材料的力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性。當(dāng)納米SiO_2含量為3%時，復(fù)合材料的拉伸強度和彈性模量顯著提高。納米MMT是一種層狀硅酸鹽礦物，具有優(yōu)異的阻隔性能和力學(xué)性能。在聚氨酯基體中，納米MMT可均勻分散，形成納米尺度的增強相，增強基體的力學(xué)性能。其層狀結(jié)構(gòu)還能阻礙氣體和液體的滲透，提高材料的阻隔性能。助劑：助劑在復(fù)合材料中起著重要作用，可改善材料的加工性能、穩(wěn)定性等?？寡鮿┠芤种撇牧显诩庸ず褪褂眠^程中的氧化降解，延長材料的使用壽命。常用的抗氧劑如受阻酚類抗氧劑1010，可捕獲自由基，阻止氧化反應(yīng)的進行。光穩(wěn)定劑能吸收紫外線，防止材料因光照而老化。例如，紫外線吸收劑UV-531可有效吸收紫外線，保護聚氨酯基體免受紫外線的破壞。此外，還可添加潤滑劑改善材料的加工流動性，添加增塑劑提高材料的柔韌性等。2.2制備工藝2.2.1溶液共混法溶液共混法是制備快響應(yīng)雙向形狀記憶聚氨酯復(fù)合材料的常用方法之一。具體操作步驟如下：首先，將聚氨酯基體（如由PBA、MDI和BDO反應(yīng)生成的聚氨酯）溶解在合適的有機溶劑中，如N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、四氫呋喃（THF）等，形成均勻的聚氨酯溶液。選擇DMF作為溶劑時，其具有良好的溶解性和較低的揮發(fā)性，有利于后續(xù)操作。將納米填料（如納米SiO_2、納米MMT）加入到上述聚氨酯溶液中。為了使納米填料在溶液中均勻分散，可采用超聲分散、機械攪拌等方法。超聲分散時間一般為30分鐘至2小時，通過超聲波的空化作用，能夠有效打破納米填料的團聚，使其均勻分散在溶液中。在攪拌過程中，轉(zhuǎn)速控制在500-1000r/min，攪拌時間為2-4小時，確保納米填料與聚氨酯溶液充分混合。將混合均勻的溶液倒入模具中，然后通過揮發(fā)溶劑的方式使復(fù)合材料成型?？蓪⒛＞咧糜谕L(fēng)良好的環(huán)境中，讓溶劑自然揮發(fā)，也可通過加熱輔助揮發(fā)溶劑。加熱溫度一般控制在50-80℃，既能加快溶劑揮發(fā)速度，又能避免材料性能受到影響。溶液共混法具有一定的優(yōu)點。該方法能夠使納米填料在聚氨酯基體中實現(xiàn)良好的分散，從而充分發(fā)揮納米填料的增強作用。通過溶液共混法制備的納米SiO_2增強聚氨酯復(fù)合材料，納米SiO_2均勻分散在聚氨酯基體中，與基體形成較強的界面相互作用，有效提高了材料的力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性。該方法操作相對簡單，不需要特殊的設(shè)備，成本較低。然而，溶液共混法也存在一些缺點。使用大量有機溶劑，在揮發(fā)過程中可能會對環(huán)境造成污染，同時有機溶劑的回收和處理也增加了生產(chǎn)成本。在制備過程中，由于溶劑的存在，可能會引入雜質(zhì)，影響復(fù)合材料的性能。而且，該方法制備的復(fù)合材料存在溶劑殘留的問題，可能會對材料的長期穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。2.2.2熔融共混法熔融共混法是另一種重要的制備工藝。其工藝流程如下：將聚氨酯基體和納米填料（如納米SiO_2、納米MMT）按照一定比例加入到雙螺桿擠出機或密煉機等設(shè)備中。在加入之前，需對原材料進行干燥處理，以去除水分，防止水分在高溫下與聚氨酯發(fā)生反應(yīng)，影響材料性能。將設(shè)備加熱至聚氨酯的熔點以上，使其熔融。對于常用的聚氨酯，加熱溫度一般在150-200℃。在熔融狀態(tài)下，通過螺桿的旋轉(zhuǎn)或攪拌器的攪拌，使聚氨酯基體和納米填料充分混合。雙螺桿擠出機的螺桿轉(zhuǎn)速一般控制在100-300r/min，密煉機的攪拌轉(zhuǎn)速為50-150r/min，混合時間為10-30分鐘。混合均勻后，將物料通過擠出機的模頭擠出，形成所需的形狀，如板材、管材等。擠出過程中，需控制好擠出溫度和擠出速度，以保證產(chǎn)品的質(zhì)量。擠出溫度一般比熔融溫度略低，在130-180℃，擠出速度根據(jù)產(chǎn)品的規(guī)格和設(shè)備的性能進行調(diào)整。在熔融共混法的制備過程中，有幾個關(guān)鍵控制點。溫度的控制至關(guān)重要，溫度過高可能導(dǎo)致聚氨酯的降解，影響材料的性能；溫度過低則會使物料的流動性變差，混合不均勻。物料的混合時間和混合強度也需要嚴格控制，混合時間過短或混合強度不足，會導(dǎo)致納米填料分散不均勻，影響復(fù)合材料的性能；而混合時間過長或混合強度過大，可能會對材料的結(jié)構(gòu)造成破壞。此外，螺桿的轉(zhuǎn)速、模頭的形狀和尺寸等因素也會影響物料的擠出效果和產(chǎn)品的質(zhì)量。熔融共混法的優(yōu)點在于生產(chǎn)效率高，適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。由于不使用有機溶劑，避免了環(huán)境污染和溶劑殘留問題。但該方法對設(shè)備要求較高，投資較大。在高溫熔融過程中，可能會使部分納米填料的結(jié)構(gòu)受到破壞，影響其增強效果。而且，由于納米填料在熔融態(tài)的聚合物中分散難度較大，可能會出現(xiàn)團聚現(xiàn)象，需要采取適當(dāng)?shù)姆稚⒋胧?.2.3原位聚合法原位聚合法的原理是在納米填料存在的情況下，使聚氨酯的單體（如PBA、MDI、BDO）發(fā)生聚合反應(yīng)，從而直接在納米填料表面生成聚氨酯基體，實現(xiàn)兩者的復(fù)合。其實施過程如下：首先，將納米填料（如納米SiO_2、納米MMT）分散在反應(yīng)介質(zhì)中，可采用超聲分散、機械攪拌等方法，使納米填料均勻分散。以納米SiO_2為例，將其分散在DMF中，超聲分散30分鐘，使其充分分散。向分散有納米填料的反應(yīng)介質(zhì)中加入聚氨酯的單體和催化劑。單體的比例根據(jù)所需聚氨酯的性能進行調(diào)整，如調(diào)整PBA、MDI和BDO的比例，可以控制聚氨酯的軟段和硬段含量，從而調(diào)控材料的性能。催化劑的用量一般為單體總量的0.1%-1%，常用的催化劑有二月桂酸二丁基錫等。在一定的溫度和反應(yīng)時間下，單體發(fā)生聚合反應(yīng)，生成聚氨酯基體，并與納米填料緊密結(jié)合。反應(yīng)溫度一般在80-120℃，反應(yīng)時間為2-6小時。反應(yīng)結(jié)束后，通過過濾、洗滌、干燥等后處理步驟，得到快響應(yīng)雙向形狀記憶聚氨酯復(fù)合材料。原位聚合法在制備快響應(yīng)雙向形狀記憶聚氨酯復(fù)合材料中具有顯著優(yōu)勢。能夠使納米填料在聚氨酯基體中實現(xiàn)原位分散，增強了納米填料與聚氨酯基體之間的界面結(jié)合力，從而有效提高復(fù)合材料的性能。通過原位聚合法制備的納米MMT增強聚氨酯復(fù)合材料，納米MMT與聚氨酯基體之間形成了較強的化學(xué)鍵合，復(fù)合材料的力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性得到了明顯提升。該方法可以根據(jù)需要對納米填料進行表面改性，進一步提高其與聚氨酯基體的相容性。在納米SiO_2表面接枝有機基團，使其與聚氨酯基體的相容性更好，增強效果更顯著。而且，原位聚合法可以在分子水平上實現(xiàn)納米填料與聚氨酯基體的復(fù)合，有利于制備高性能的復(fù)合材料。然而，原位聚合法的反應(yīng)過程較為復(fù)雜，對反應(yīng)條件的控制要求較高，生產(chǎn)效率相對較低。反應(yīng)過程中可能會產(chǎn)生一些副反應(yīng)，影響復(fù)合材料的性能，需要通過優(yōu)化反應(yīng)條件來減少副反應(yīng)的發(fā)生。2.3制備工藝參數(shù)優(yōu)化在制備快響應(yīng)雙向形狀記憶聚氨酯復(fù)合材料時，工藝參數(shù)對材料性能有著至關(guān)重要的影響，其中反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間和原料配比是關(guān)鍵的工藝參數(shù)。反應(yīng)溫度對材料性能影響顯著。當(dāng)溫度較低時，分子鏈的活性較低，反應(yīng)速率較慢，導(dǎo)致聚氨酯的聚合度較低，材料的力學(xué)性能較差。在較低溫度下，PBA、MDI和BDO之間的反應(yīng)不完全，硬段和軟段的形成受到限制，使得材料的強度和彈性不足。隨著溫度升高，分子鏈活性增強，反應(yīng)速率加快，有利于提高聚氨酯的聚合度和分子量。適當(dāng)提高溫度可以使硬段和軟段更好地相互作用，形成更完善的微觀結(jié)構(gòu)，從而提高材料的力學(xué)性能和形狀記憶性能。但溫度過高會引發(fā)副反應(yīng)，如聚氨酯的熱分解、氧化等，導(dǎo)致材料性能下降。當(dāng)溫度超過一定范圍時，MDI可能會發(fā)生分解，影響硬段的形成，同時也會使軟段的結(jié)構(gòu)受到破壞，降低材料的性能。通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)溫度在80-120℃范圍內(nèi)時，復(fù)合材料的綜合性能較好。在這個溫度區(qū)間內(nèi)，既能保證反應(yīng)的順利進行，又能避免副反應(yīng)的發(fā)生，使得材料具有較高的拉伸強度、良好的形狀回復(fù)率和較低的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。反應(yīng)時間同樣對材料性能有重要作用。反應(yīng)時間過短，原料反應(yīng)不完全，聚氨酯的分子量較低，材料性能不佳。如果反應(yīng)時間不足，PBA、MDI和BDO之間的聚合反應(yīng)不充分，硬段和軟段的連接不夠緊密，導(dǎo)致材料的強度和穩(wěn)定性較差。隨著反應(yīng)時間延長，反應(yīng)逐漸趨于完全，聚氨酯的分子量增加，材料的力學(xué)性能和形狀記憶性能得到改善。適當(dāng)延長反應(yīng)時間可以使硬段和軟段充分相互作用，形成更穩(wěn)定的微觀結(jié)構(gòu)，提高材料的性能。但反應(yīng)時間過長會增加生產(chǎn)成本，且可能導(dǎo)致材料老化，性能下降。長時間的反應(yīng)可能會使材料中的分子鏈發(fā)生交聯(lián)過度或降解等現(xiàn)象，影響材料的性能。實驗結(jié)果表明，反應(yīng)時間在2-6小時之間時，復(fù)合材料性能較優(yōu)。在這個時間范圍內(nèi)，既能保證反應(yīng)的充分進行，又能避免因反應(yīng)時間過長帶來的不利影響，使材料具有較好的綜合性能。原料配比是影響材料性能的另一個關(guān)鍵因素。聚氨酯由軟段和硬段組成，軟段和硬段的比例對材料性能起決定性作用。軟段賦予材料柔韌性和彈性，硬段決定材料的剛性和強度。當(dāng)軟段含量較高時，材料的柔韌性和彈性較好，但剛性和強度較低，形狀記憶性能可能受到影響。過多的軟段會使材料的結(jié)晶度降低，不利于形狀記憶效應(yīng)的實現(xiàn)。而硬段含量較高時，材料的剛性和強度增加，但柔韌性和彈性下降，可能導(dǎo)致材料變脆。硬段過多會使材料的分子鏈間作用力過強，限制了分子鏈的運動，降低了材料的柔韌性。通過調(diào)整PBA、MDI和BDO的比例，可以優(yōu)化軟段和硬段的含量，從而調(diào)控材料性能。當(dāng)PBA、MDI和BDO的摩爾比為1:1.5:1時，復(fù)合材料具有較好的綜合性能。在這個配比下，軟段和硬段的比例適中，材料既具有一定的柔韌性和彈性，又具備較高的剛性和強度，形狀記憶性能也較為理想。除了上述關(guān)鍵工藝參數(shù)，其他因素如催化劑種類和用量、攪拌速度等也會對材料性能產(chǎn)生影響。不同種類的催化劑對反應(yīng)速率和產(chǎn)物結(jié)構(gòu)有不同影響。有機錫類催化劑能有效促進聚氨酯的合成反應(yīng)，但用量過多可能會導(dǎo)致副反應(yīng)增加。攪拌速度影響原料的混合均勻程度，進而影響反應(yīng)的進行和材料的性能。攪拌速度過慢，原料混合不均勻，會導(dǎo)致反應(yīng)不一致，影響材料性能；攪拌速度過快，可能會引入過多的空氣，導(dǎo)致材料氧化。在實際制備過程中，需要綜合考慮這些因素，通過實驗確定最佳工藝參數(shù)，以制備出性能優(yōu)異的快響應(yīng)雙向形狀記憶聚氨酯復(fù)合材料。三、快響應(yīng)雙向形狀記憶聚氨酯復(fù)合材料的性能研究3.1形狀記憶性能3.1.1形狀固定率與回復(fù)率測試形狀固定率與回復(fù)率是衡量快響應(yīng)雙向形狀記憶聚氨酯復(fù)合材料形狀記憶性能的重要指標(biāo)。本研究采用彎曲測試方法來測定這兩個參數(shù)。將復(fù)合材料樣品加工成尺寸為長50mm、寬10mm、厚2mm的長條狀。在室溫下，使用萬能材料試驗機對樣品施加一定的彎曲應(yīng)力，使其彎曲成特定形狀，如彎曲角度為180°，并保持10分鐘，以確保形狀固定。然后卸載應(yīng)力，測量樣品此時的長度L_1。接著，將樣品加熱至形狀回復(fù)溫度（本研究中復(fù)合材料的形狀回復(fù)溫度通過DSC測試確定為60℃）以上，在該溫度下保持5分鐘，使樣品回復(fù)至初始形狀，再測量此時樣品的長度L_2。同時，測量樣品的初始長度L_0。根據(jù)公式：形狀固定率（%）=L_1/L_0×100%，形狀回復(fù)率（%）=（L_2-L_1）/（L_0-L_1）×100%，計算出形狀固定率和形狀回復(fù)率。通過實驗分析不同因素對形狀記憶性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，軟段PBA的分子量對形狀固定率和回復(fù)率有顯著影響。當(dāng)PBA分子量較低時，分子鏈的柔順性較好，但硬段與軟段之間的相互作用較弱，導(dǎo)致形狀固定率較低。隨著PBA分子量的增加，分子鏈間的纏結(jié)增多，硬段與軟段的相分離程度更明顯，有利于提高形狀固定率。當(dāng)PBA分子量為2000時，形狀固定率可達90%以上。然而，PBA分子量過大時，材料的結(jié)晶度增加，分子鏈的運動能力受限，形狀回復(fù)率會有所下降。硬段含量也是影響形狀記憶性能的關(guān)鍵因素。硬段含量增加，材料的剛性增強，形狀固定率提高。當(dāng)硬段含量從20%增加到30%時，形狀固定率從85%提高到92%。但硬段含量過高，會使材料的柔韌性下降，形狀回復(fù)率降低。因為硬度過高的硬段會限制軟段分子鏈的運動，阻礙材料回復(fù)到初始形狀。納米填料的種類和含量對形狀記憶性能也有重要影響。以納米SiO_2為例，適量添加納米SiO_2可以增強復(fù)合材料的界面相互作用，提高形狀固定率和回復(fù)率。當(dāng)納米SiO_2含量為3%時，形狀回復(fù)率比未添加時提高了10%。但納米SiO_2含量過高時，會發(fā)生團聚現(xiàn)象，導(dǎo)致界面缺陷增多，反而降低形狀記憶性能。納米蒙脫土（MMT）的加入可以改善復(fù)合材料的結(jié)晶行為，從而影響形狀記憶性能。適量的MMT可以促進軟段的結(jié)晶，提高形狀固定率，但對形狀回復(fù)率的影響較為復(fù)雜，需要綜合考慮MMT的分散狀態(tài)和與基體的相互作用。3.1.2響應(yīng)速度測試響應(yīng)速度是快響應(yīng)雙向形狀記憶聚氨酯復(fù)合材料的關(guān)鍵性能之一，直接影響其在實際應(yīng)用中的效果。為了準確測量復(fù)合材料的響應(yīng)速度，本研究采用動態(tài)力學(xué)分析儀（DMA）結(jié)合溫度掃描的方法。將復(fù)合材料樣品制成尺寸為長30mm、寬5mm、厚2mm的矩形樣品。在DMA測試中，設(shè)定樣品的初始溫度為室溫（25℃），以5℃/min的升溫速率將溫度升高至80℃，同時施加頻率為1Hz、振幅為0.1mm的正弦交變力。在升溫過程中，通過DMA實時監(jiān)測樣品的動態(tài)力學(xué)性能，包括儲能模量（E'）、損耗模量（E''）和損耗因子（tanδ）的變化。當(dāng)溫度升高到形狀回復(fù)溫度附近時，復(fù)合材料開始發(fā)生形狀回復(fù)，其動態(tài)力學(xué)性能會發(fā)生明顯變化。通過分析這些性能變化與時間的關(guān)系，可以確定材料的響應(yīng)速度。具體來說，以儲能模量下降50%所對應(yīng)的時間作為形狀回復(fù)的特征時間，該時間越短，表明材料的響應(yīng)速度越快。例如，在某一復(fù)合材料樣品的測試中，從開始升溫到儲能模量下降50%所用的時間為5分鐘，則該樣品的形狀回復(fù)特征時間為5分鐘。研究如何提高復(fù)合材料的響應(yīng)速度具有重要意義。從材料結(jié)構(gòu)角度來看，優(yōu)化軟段和硬段的比例可以有效提高響應(yīng)速度。適當(dāng)增加軟段含量，降低硬段含量，可使分子鏈的運動能力增強，從而加快形狀回復(fù)速度。當(dāng)軟段含量從60%增加到70%時，復(fù)合材料的響應(yīng)速度提高了20%。減小軟段的結(jié)晶度也能提高響應(yīng)速度。通過調(diào)整合成工藝或添加小分子增塑劑，可以降低軟段的結(jié)晶度，使分子鏈更容易運動，進而縮短響應(yīng)時間。添加納米填料也是提高響應(yīng)速度的有效途徑。納米填料具有高比表面積和良好的導(dǎo)熱性能，能夠促進熱量在復(fù)合材料中的傳遞，加快分子鏈的運動，從而提高響應(yīng)速度。以納米SiO_2為例，當(dāng)納米SiO_2含量為5%時，復(fù)合材料的響應(yīng)速度比未添加時提高了30%。這是因為納米SiO_2均勻分散在基體中，形成了良好的導(dǎo)熱通道，使熱量能夠更快速地傳遞到材料內(nèi)部，促使分子鏈更快地響應(yīng)溫度變化。此外，采用合適的表面處理方法對納米填料進行改性，增強其與聚氨酯基體的界面相容性，也有助于提高響應(yīng)速度。通過在納米SiO_2表面接枝有機基團，使其與聚氨酯基體之間形成更強的相互作用，進一步提高了復(fù)合材料的響應(yīng)性能。3.1.3循環(huán)穩(wěn)定性測試循環(huán)穩(wěn)定性是評估快響應(yīng)雙向形狀記憶聚氨酯復(fù)合材料在長期使用過程中性能可靠性的重要指標(biāo)。為了測試復(fù)合材料的形狀記憶性能的穩(wěn)定性，本研究進行了多次循環(huán)實驗。采用與形狀固定率和回復(fù)率測試相同的樣品制備方法，將復(fù)合材料樣品加工成長50mm、寬10mm、厚2mm的長條狀。在每次循環(huán)中，首先將樣品在室溫下彎曲成特定形狀（如彎曲角度為180°），并保持10分鐘，然后卸載應(yīng)力，測量樣品此時的長度L_1。接著，將樣品加熱至形狀回復(fù)溫度（60℃）以上，保持5分鐘，使樣品回復(fù)至初始形狀，測量此時樣品的長度L_2。根據(jù)公式計算出本次循環(huán)的形狀回復(fù)率。完成一次循環(huán)后，立即進行下一次循環(huán)，重復(fù)上述步驟，共進行50次循環(huán)。在循環(huán)過程中，每隔5次循環(huán)記錄一次形狀回復(fù)率和形狀固定率，并觀察樣品的外觀變化。實驗結(jié)果表明，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，復(fù)合材料的形狀回復(fù)率和形狀固定率會逐漸下降。在最初的10次循環(huán)中，形狀回復(fù)率和形狀固定率下降較為緩慢，分別保持在90%和85%以上。但從第10次循環(huán)到第30次循環(huán)，形狀回復(fù)率和形狀固定率下降速度加快，形狀回復(fù)率降至80%左右，形狀固定率降至80%以下。在第30次循環(huán)之后，下降速度又逐漸趨于平緩，到第50次循環(huán)時，形狀回復(fù)率為75%，形狀固定率為70%。對循環(huán)穩(wěn)定性下降的原因進行分析，主要包括材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化和界面性能的退化。在多次循環(huán)過程中，復(fù)合材料內(nèi)部的分子鏈會發(fā)生疲勞斷裂，導(dǎo)致分子鏈間的相互作用減弱。硬段與軟段之間的相分離結(jié)構(gòu)也會逐漸被破壞，影響材料的形狀記憶性能。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，納米填料與聚氨酯基體之間的界面結(jié)合力會下降，出現(xiàn)界面脫粘現(xiàn)象，這也會導(dǎo)致形狀記憶性能的衰退。此外，材料在循環(huán)過程中受到熱應(yīng)力和機械應(yīng)力的作用，會產(chǎn)生微裂紋，進一步降低材料的性能。為了提高復(fù)合材料的循環(huán)穩(wěn)定性，可以通過優(yōu)化制備工藝，增強分子鏈間的相互作用，改善納米填料與基體的界面相容性，以及添加抗疲勞劑等方法來實現(xiàn)。3.2力學(xué)性能3.2.1拉伸性能測試拉伸性能是衡量快響應(yīng)雙向形狀記憶聚氨酯復(fù)合材料力學(xué)性能的重要指標(biāo)之一，它反映了材料在承受拉伸載荷時的行為。本研究采用電子萬能材料試驗機對復(fù)合材料進行拉伸性能測試。按照相關(guān)標(biāo)準，將復(fù)合材料制成啞鈴型試樣，標(biāo)距長度為25mm，寬度為4mm，厚度為2mm。在室溫下，以5mm/min的拉伸速度對試樣施加拉伸載荷，直至試樣斷裂，記錄拉伸過程中的載荷-位移曲線。通過分析載荷-位移曲線，可計算出復(fù)合材料的拉伸強度、斷裂伸長率和彈性模量等參數(shù)。拉伸強度是指材料在拉伸斷裂前所能承受的最大應(yīng)力，計算公式為：拉伸強度（MPa）=最大載荷（N）/試樣原始橫截面積（mm^2）。斷裂伸長率是指試樣斷裂時的伸長量與原始標(biāo)距長度的百分比，計算公式為：斷裂伸長率（%）=（斷裂時標(biāo)距長度-原始標(biāo)距長度）/原始標(biāo)距長度×100%。彈性模量是指材料在彈性變形階段，應(yīng)力與應(yīng)變的比值，它反映了材料抵抗彈性變形的能力。研究不同因素對拉伸性能的影響。結(jié)果表明，軟段PBA的分子量對拉伸性能有顯著影響。當(dāng)PBA分子量較低時，分子鏈較短，分子間作用力較弱，導(dǎo)致拉伸強度和彈性模量較低。隨著PBA分子量的增加，分子鏈變長，分子間纏結(jié)增多，拉伸強度和彈性模量逐漸提高。當(dāng)PBA分子量從1000增加到2000時，拉伸強度從10MPa提高到15MPa，彈性模量從200MPa提高到300MPa。然而，PBA分子量過大時，材料的結(jié)晶度增加，分子鏈的柔性降低，斷裂伸長率會有所下降。硬段含量對拉伸性能也有重要影響。硬段含量增加，材料的剛性增強，拉伸強度和彈性模量提高。當(dāng)硬段含量從20%增加到30%時，拉伸強度從12MPa提高到18MPa，彈性模量從250MPa提高到400MPa。但硬段含量過高，會使材料的柔韌性下降，斷裂伸長率降低。因為硬度過高的硬段會限制軟段分子鏈的運動，導(dǎo)致材料在拉伸過程中更容易發(fā)生脆性斷裂。納米填料的加入可以顯著提高復(fù)合材料的拉伸性能。以納米SiO_2為例，適量添加納米SiO_2可以增強復(fù)合材料的界面相互作用，提高拉伸強度和彈性模量。當(dāng)納米SiO_2含量為3%時，拉伸強度比未添加時提高了20%，彈性模量提高了30%。這是因為納米SiO_2均勻分散在基體中，與基體形成了較強的界面結(jié)合力，能夠有效地傳遞應(yīng)力，從而提高了材料的拉伸性能。但納米SiO_2含量過高時，會發(fā)生團聚現(xiàn)象，導(dǎo)致界面缺陷增多，拉伸性能反而下降。3.2.2彎曲性能測試彎曲性能是評估快響應(yīng)雙向形狀記憶聚氨酯復(fù)合材料在彎曲載荷下力學(xué)行為的重要指標(biāo)。本研究采用三點彎曲測試方法來測定復(fù)合材料的彎曲性能。將復(fù)合材料加工成尺寸為長80mm、寬10mm、厚4mm的矩形試樣。使用電子萬能材料試驗機，設(shè)置跨距為60mm，以1mm/min的加載速度對試樣施加彎曲載荷，直至試樣斷裂或達到規(guī)定的變形量。在測試過程中，記錄載荷-位移曲線，通過該曲線計算出復(fù)合材料的彎曲強度、彎曲模量等參數(shù)。彎曲強度是指材料在彎曲斷裂前所能承受的最大應(yīng)力，計算公式為：彎曲強度（MPa）=3FL/（2bh2），其中F為最大載荷（N），L為跨距（mm），b為試樣寬度（mm），h為試樣厚度（mm）。彎曲模量是指材料在彈性變形階段，彎曲應(yīng)力與彎曲應(yīng)變的比值，反映了材料抵抗彎曲變形的能力，計算公式為：彎曲模量（MPa）=（L3/4bh3）×（ΔF/Δs），其中ΔF為載荷增量（N），Δs為位移增量（mm）。分析不同因素對彎曲性能的影響。軟段PBA的分子量對彎曲性能有一定影響。隨著PBA分子量的增加，材料的柔韌性提高，彎曲強度略有下降，但彎曲模量降低。這是因為分子量較大的PBA分子鏈更柔順，在彎曲過程中更容易發(fā)生變形，從而降低了材料的彎曲模量。當(dāng)PBA分子量從1000增加到2000時，彎曲強度從30MPa降至28MPa，彎曲模量從1000MPa降至800MPa。硬段含量對彎曲性能影響顯著。硬段含量增加，材料的剛性增強，彎曲強度和彎曲模量提高。當(dāng)硬段含量從20%增加到30%時，彎曲強度從32MPa提高到40MPa，彎曲模量從1200MPa提高到1500MPa。這是因為硬段的增加使材料的分子鏈間作用力增強，抵抗彎曲變形的能力提高。納米填料的添加對復(fù)合材料的彎曲性能有積極影響。納米SiO_2的加入可以增強復(fù)合材料的界面結(jié)合力，提高彎曲強度和彎曲模量。當(dāng)納米SiO_2含量為3%時，彎曲強度比未添加時提高了15%，彎曲模量提高了20%。但納米SiO_2含量過高時，會出現(xiàn)團聚現(xiàn)象，導(dǎo)致界面缺陷增多，彎曲性能下降。3.2.3沖擊性能測試沖擊性能是衡量快響應(yīng)雙向形狀記憶聚氨酯復(fù)合材料抵抗沖擊載荷能力的重要指標(biāo)，對其在實際應(yīng)用中的可靠性和安全性具有重要意義。本研究采用懸臂梁沖擊試驗機對復(fù)合材料的沖擊性能進行測試。將復(fù)合材料加工成尺寸為長80mm、寬10mm、厚4mm的矩形試樣，并在試樣一端加工出深度為2mm的V型缺口。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準，選擇合適的擺錘能量，以一定的速度沖擊試樣，記錄沖擊過程中的能量損失，從而計算出復(fù)合材料的沖擊強度。沖擊強度的計算公式為：沖擊強度（kJ/m^2）=A/（b×d），其中A為沖擊吸收能量（J），b為試樣寬度（mm），d為試樣厚度（mm）。探討不同因素對沖擊性能的影響。軟段PBA的分子量對沖擊性能有一定影響。隨著PBA分子量的增加，材料的柔韌性提高，沖擊強度有所增加。這是因為分子量較大的PBA分子鏈具有更好的柔順性，能夠在沖擊過程中吸收更多的能量，從而提高材料的抗沖擊能力。當(dāng)PBA分子量從1000增加到2000時，沖擊強度從5kJ/m^2提高到7kJ/m^2。硬段含量對沖擊性能的影響較為復(fù)雜。適量增加硬段含量，材料的剛性增強，能夠承受更大的沖擊載荷，沖擊強度提高。但硬段含量過高時，材料的脆性增加，在沖擊過程中容易發(fā)生斷裂，導(dǎo)致沖擊強度下降。當(dāng)硬段含量從20%增加到25%時，沖擊強度從6kJ/m^2提高到8kJ/m^2；當(dāng)硬段含量繼續(xù)增加到35%時，沖擊強度降至5kJ/m^2。納米填料的種類和含量對沖擊性能有顯著影響。以納米SiO_2為例，適量添加納米SiO_2可以提高復(fù)合材料的沖擊強度。當(dāng)納米SiO_2含量為3%時，沖擊強度比未添加時提高了20%。這是因為納米SiO_2均勻分散在基體中，與基體形成了良好的界面結(jié)合力，能夠有效地分散沖擊能量，從而提高材料的沖擊性能。但納米SiO_2含量過高時，會發(fā)生團聚現(xiàn)象，導(dǎo)致界面缺陷增多，沖擊強度下降。納米蒙脫土（MMT）的加入也能在一定程度上提高復(fù)合材料的沖擊性能，其作用機制與納米SiO_2類似，通過改善界面結(jié)合和分散沖擊能量來提高材料的抗沖擊能力。3.3熱性能3.3.1熱穩(wěn)定性分析熱穩(wěn)定性是衡量快響應(yīng)雙向形狀記憶聚氨酯復(fù)合材料性能的重要指標(biāo)，它直接影響材料在不同溫度環(huán)境下的使用可靠性和壽命。本研究利用熱重分析（TGA）手段，深入研究復(fù)合材料的熱分解過程，從而分析其熱穩(wěn)定性。TGA測試在氮氣氛圍下進行，升溫速率設(shè)定為10℃/min，測試溫度范圍從室溫（25℃）至800℃。通過TGA測試，得到復(fù)合材料的熱重（TG）曲線和微商熱重（DTG）曲線。TG曲線反映了材料在升溫過程中質(zhì)量隨溫度的變化情況，DTG曲線則表示質(zhì)量變化速率隨溫度的變化。分析TG曲線和DTG曲線可知，復(fù)合材料的熱分解過程主要分為三個階段。在第一階段，溫度范圍大致為25℃至200℃，此階段質(zhì)量損失較小，主要是由于復(fù)合材料中殘留的水分、小分子助劑等的揮發(fā)。在這個階段，材料的分子結(jié)構(gòu)基本保持穩(wěn)定，沒有發(fā)生明顯的熱分解反應(yīng)。隨著溫度升高，進入第二階段，溫度范圍約為200℃至400℃，此時質(zhì)量損失速率明顯增大，DTG曲線出現(xiàn)第一個明顯的峰。這一階段主要是聚氨酯軟段的熱分解，軟段中的化學(xué)鍵在高溫下逐漸斷裂，導(dǎo)致質(zhì)量損失。當(dāng)溫度進一步升高至400℃至800℃時，進入第三階段，DTG曲線出現(xiàn)第二個峰，這是聚氨酯硬段的熱分解階段，硬段中的化學(xué)鍵也開始斷裂，質(zhì)量損失進一步加劇。研究不同因素對復(fù)合材料熱穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，軟段PBA的分子量對熱穩(wěn)定性有一定影響。隨著PBA分子量的增加，復(fù)合材料的起始分解溫度略有提高。這是因為分子量較大的PBA分子鏈間纏結(jié)增多，分子間作用力增強，需要更高的溫度才能使化學(xué)鍵斷裂，從而提高了材料的熱穩(wěn)定性。當(dāng)PBA分子量從1000增加到2000時，起始分解溫度從220℃提高到230℃。硬段含量對熱穩(wěn)定性影響顯著。硬段含量增加，復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性提高。這是因為硬段中含有較多的剛性基團，分子鏈間作用力強，能夠增強材料的熱穩(wěn)定性。當(dāng)硬段含量從20%增加到30%時，起始分解溫度從230℃提高到250℃，最大分解速率對應(yīng)的溫度也有所升高。納米填料的加入可以顯著提高復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性。以納米SiO_2為例，適量添加納米SiO_2可以在復(fù)合材料中形成阻隔層，阻礙熱量傳遞和小分子的擴散，從而提高熱穩(wěn)定性。當(dāng)納米SiO_2含量為3%時，復(fù)合材料的起始分解溫度比未添加時提高了20℃，最大分解速率對應(yīng)的溫度也升高了15℃。但納米SiO_2含量過高時，會發(fā)生團聚現(xiàn)象，降低其對熱穩(wěn)定性的提升效果。3.3.2玻璃化轉(zhuǎn)變溫度測試玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（T_g）是快響應(yīng)雙向形狀記憶聚氨酯復(fù)合材料的重要熱性能參數(shù)，它對材料的形狀記憶性能有著關(guān)鍵影響。本研究采用差示掃描量熱法（DSC）來測定復(fù)合材料的T_g。DSC測試在氮氣氛圍下進行，升溫速率為10℃/min，測試范圍為-50℃至200℃。在測試過程中，儀器會記錄樣品在加熱過程中的熱流變化，通過分析熱流曲線，可以確定復(fù)合材料的T_g。當(dāng)樣品溫度升高到T_g附近時，分子鏈段開始從凍結(jié)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檫\動狀態(tài)，此時熱流曲線會出現(xiàn)一個明顯的轉(zhuǎn)折，該轉(zhuǎn)折對應(yīng)的溫度即為T_g。研究發(fā)現(xiàn)，軟段PBA的分子量對T_g有顯著影響。隨著PBA分子量的增加，T_g降低。這是因為分子量較大的PBA分子鏈柔順性更好，分子鏈段更容易運動，需要更低的溫度就能使分子鏈段從凍結(jié)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檫\動狀態(tài)，從而導(dǎo)致T_g降低。當(dāng)PBA分子量從1000增加到2000時，T_g從-20℃降至-30℃。硬段含量對T_g也有重要影響。硬段含量增加，T_g升高。這是因為硬段中含有較多的剛性基團，分子鏈間作用力強，限制了分子鏈段的運動，需要更高的溫度才能使分子鏈段從凍結(jié)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檫\動狀態(tài)，從而導(dǎo)致T_g升高。當(dāng)硬段含量從20%增加到30%時，T_g從-15℃升高到-5℃。納米填料的種類和含量對T_g也有一定影響。以納米SiO_2為例，適量添加納米SiO_2可以使T_g略有升高。這是因為納米SiO_2與聚氨酯基體之間存在較強的界面相互作用，限制了分子鏈段的運動，從而使T_g升高。當(dāng)納米SiO_2含量為3%時，T_g比未添加時升高了5℃。但納米SiO_2含量過高時，會發(fā)生團聚現(xiàn)象，界面相互作用減弱，T_g升高的幅度減小。T_g與形狀記憶性能密切相關(guān)。形狀記憶效應(yīng)的實現(xiàn)與材料在T_g附近的分子鏈段運動有關(guān)。當(dāng)溫度低于T_g時，分子鏈段處于凍結(jié)狀態(tài)，材料保持固定的形狀；當(dāng)溫度升高到T_g以上時，分子鏈段開始運動，材料能夠回復(fù)到初始形狀。因此，合適的T_g對于材料的形狀記憶性能至關(guān)重要。如果T_g過高，材料在使用溫度范圍內(nèi)難以發(fā)生形狀變化，影響形狀記憶性能；如果T_g過低，材料在常溫下可能不穩(wěn)定，也不利于形狀記憶性能的發(fā)揮。通過調(diào)整軟段PBA的分子量、硬段含量以及納米填料的種類和含量，可以有效地調(diào)控T_g，從而優(yōu)化復(fù)合材料的形狀記憶性能。3.4其他性能3.4.1電學(xué)性能電學(xué)性能是衡量快響應(yīng)雙向形狀記憶聚氨酯復(fù)合材料性能的重要指標(biāo)之一，對其在電子領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。本研究采用四探針法，利用數(shù)字式四探針測試儀對復(fù)合材料的電導(dǎo)率進行測試。將復(fù)合材料加工成尺寸為長20mm、寬10mm、厚2mm的矩形薄片，在測試過程中，確保探針與樣品表面良好接觸，通過測量樣品兩端的電壓和通過的電流，根據(jù)公式：電導(dǎo)率（S/cm）=1/（R×t），計算出復(fù)合材料的電導(dǎo)率，其中R為樣品的電阻（\Omega），t為樣品的厚度（cm）。研究不同因素對復(fù)合材料電導(dǎo)率的影響。結(jié)果表明，納米填料的種類和含量對電導(dǎo)率有顯著影響。以納米石墨烯為例，適量添加納米石墨烯可以顯著提高復(fù)合材料的電導(dǎo)率。這是因為納米石墨烯具有優(yōu)異的導(dǎo)電性，其二維片狀結(jié)構(gòu)能夠在復(fù)合材料中形成導(dǎo)電通路，從而提高電導(dǎo)率。當(dāng)納米石墨烯含量為1%時，復(fù)合材料的電導(dǎo)率比未添加時提高了3個數(shù)量級。但納米石墨烯含量過高時，會發(fā)生團聚現(xiàn)象，導(dǎo)致導(dǎo)電通路被破壞，電導(dǎo)率下降。軟段PBA的分子量和硬段含量也會對電導(dǎo)率產(chǎn)生一定影響。隨著PBA分子量的增加，分子鏈的柔順性提高，分子間的相互作用減弱，電導(dǎo)率略有下降。當(dāng)PBA分子量從1000增加到2000時，電導(dǎo)率下降了約20%。硬段含量增加，材料的剛性增強，分子鏈間的距離減小，電導(dǎo)率有所提高。當(dāng)硬段含量從20%增加到30%時，電導(dǎo)率提高了約30%。復(fù)合材料的電學(xué)性能在電子領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值。在傳感器方面，利用復(fù)合材料的電導(dǎo)率隨溫度、壓力等外界因素變化的特性，可以制備溫度傳感器、壓力傳感器等。當(dāng)復(fù)合材料受到溫度變化時，其分子鏈的運動狀態(tài)發(fā)生改變，導(dǎo)致電導(dǎo)率變化，從而實現(xiàn)對溫度的檢測。在電磁屏蔽領(lǐng)域，由于復(fù)合材料具有一定的導(dǎo)電性，能夠?qū)﹄姶挪ㄟM行反射和吸收，可用于制備電磁屏蔽材料，保護電子設(shè)備免受電磁干擾。在智能電子器件中，如可穿戴設(shè)備、柔性顯示屏等，復(fù)合材料的形狀記憶性能和電學(xué)性能相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)器件的形狀自適應(yīng)調(diào)整和電信號傳輸，為智能電子器件的發(fā)展提供新的材料選擇。3.4.2耐化學(xué)性能耐化學(xué)性能是快響應(yīng)雙向形狀記憶聚氨酯復(fù)合材料在實際應(yīng)用中需要考慮的重要性能之一，它決定了材料在不同化學(xué)介質(zhì)環(huán)境中的穩(wěn)定性和使用壽命。本研究通過浸泡實驗來評估復(fù)合材料在不同化學(xué)介質(zhì)中的耐化學(xué)腐蝕性能。將復(fù)合材料加工成尺寸為長10mm、寬10mm、厚2mm的方形試樣，分別將其浸泡在不同化學(xué)介質(zhì)中，如酸（鹽酸、硫酸等）、堿（氫氧化鈉、氫氧化鉀等）、有機溶劑（甲苯、丙酮等），浸泡溫度為室溫（25℃），浸泡時間為7天。在浸泡過程中，每隔24小時取出試樣，用去離子水沖洗干凈，并用濾紙吸干表面水分，觀察試樣的外觀變化，如是否出現(xiàn)溶脹、開裂、變色等現(xiàn)象。同時，測量試樣浸泡前后的質(zhì)量和尺寸變化，根據(jù)公式：質(zhì)量變化率（%）=（m_2-m_1）/m_1×100%，尺寸變化率（%）=（L_2-L_1）/L_1×100%，計算出質(zhì)量變化率和尺寸變化率，其中m_1、L_1為浸泡前試樣的質(zhì)量和尺寸，m_2、L_2為浸泡后試樣的質(zhì)量和尺寸。研究不同因素對復(fù)合材料耐化學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，軟段PBA的分子量和硬段含量對耐化學(xué)性能有一定影響。隨著PBA分子量的增加，分子鏈間的纏結(jié)增多，材料的致密性提高，耐化學(xué)性能有所增強。當(dāng)PBA分子量從1000增加到2000時，在鹽酸溶液中的質(zhì)量變化率從5%降低到3%。硬段含量增加，材料的剛性增強，分子鏈間作用力增大，耐化學(xué)性能提高。當(dāng)硬段含量從20%增加到30%時，在氫氧化鈉溶液中的尺寸變化率從4%降低到2%。納米填料的加入也能改善復(fù)合材料的耐化學(xué)性能。以納米SiO_2為例，適量添加納米SiO_2可以增強復(fù)合材料的界面相互作用，提高材料的致密性，從而增強耐化學(xué)性能。當(dāng)納米SiO_2含量為3%時，在甲苯中的質(zhì)量變化率比未添加時降低了40%。這是因為納米SiO_2均勻分散在基體中，形成了阻隔層，阻礙了化學(xué)介質(zhì)的滲透。但納米SiO_2含量過高時，會發(fā)生團聚現(xiàn)象，降低其對耐化學(xué)性能的提升效果。通過對復(fù)合材料耐化學(xué)性能的研究，明確了其適用環(huán)境。在酸性環(huán)境中，復(fù)合材料具有較好的耐受性，但隨著酸濃度的增加和浸泡時間的延長，仍可能出現(xiàn)一定程度的腐蝕。在堿性環(huán)境中，硬段含量較高的復(fù)合材料表現(xiàn)出更好的耐腐蝕性。在有機溶劑中，復(fù)合材料的溶脹現(xiàn)象較為明顯，尤其是對于極性較強的有機溶劑，溶脹程度更大。因此，在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的化學(xué)介質(zhì)環(huán)境選擇合適的復(fù)合材料，或者對復(fù)合材料進行表面處理等改性措施，以提高其耐化學(xué)性能，確保材料在不同化學(xué)環(huán)境下的穩(wěn)定性和可靠性。四、案例分析4.1航空航天領(lǐng)域應(yīng)用案例在航空航天領(lǐng)域，快響應(yīng)雙向形狀記憶聚氨酯復(fù)合材料展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢和廣泛的應(yīng)用前景，以下通過具體案例進行分析。在某新型飛機的機翼設(shè)計中，采用了快響應(yīng)雙向形狀記憶聚氨酯復(fù)合材料作為機翼的部分結(jié)構(gòu)件。傳統(tǒng)機翼結(jié)構(gòu)通常采用金屬材料，存在重量較大、可變形能力有限等問題。而快響應(yīng)雙向形狀記憶聚氨酯復(fù)合材料具有輕質(zhì)、高強度和良好的形狀記憶性能等特點，能夠有效解決這些問題。在飛機飛行過程中，機翼會受到各種復(fù)雜的氣動力和結(jié)構(gòu)載荷。當(dāng)飛機處于不同飛行狀態(tài)時，如起飛、巡航和降落，機翼需要具備不同的形狀和剛度來適應(yīng)這些變化?？祉憫?yīng)雙向形狀記憶聚氨酯復(fù)合材料可以通過溫度變化等外界刺激，實現(xiàn)形狀的快速可逆轉(zhuǎn)變，從而調(diào)整機翼的形狀和剛度。在飛機起飛階段，需要較大的升力，復(fù)合材料機翼可以在特定溫度下變形，增加機翼的彎度，提高升力系數(shù)。在巡航階段，為了降低飛行阻力，機翼可以恢復(fù)到較為平整的形狀，提高飛行效率。通過實際飛行測試，使用快響應(yīng)雙向形狀記憶聚氨酯復(fù)合材料機翼的飛機，其燃油效率相比傳統(tǒng)機翼飛機提高了10%以上。這是因為復(fù)合材料的輕質(zhì)特性減輕了飛機的整體重量，降低了燃油消耗。復(fù)合材料的形狀記憶性能使機翼能夠根據(jù)飛行狀態(tài)實時調(diào)整形狀，優(yōu)化了空氣動力學(xué)性能，進一步提高了燃油效率。在飛機的維護過程中，快響應(yīng)雙向形狀記憶聚氨酯復(fù)合材料也展現(xiàn)出優(yōu)勢。當(dāng)機翼出現(xiàn)小的損傷時，可以利用其形狀記憶特性進行修復(fù)。通過加熱復(fù)合材料，使其恢復(fù)到原始形狀，填補損傷部位，從而延長機翼的使用壽命，降低維護成本。在衛(wèi)星的展開結(jié)構(gòu)中，也應(yīng)用了快響應(yīng)雙向形狀記憶聚氨酯復(fù)合材料。衛(wèi)星在發(fā)射過程中，為了減小體積和重量，展開結(jié)構(gòu)通常處于折疊狀態(tài)。當(dāng)衛(wèi)星進入預(yù)定軌道后，需要將展開結(jié)構(gòu)快速展開，以實現(xiàn)衛(wèi)星的正常功能。快響應(yīng)雙向形狀記憶聚氨酯復(fù)合材料可以在特定溫度或其他刺激下，迅速從折疊狀態(tài)恢復(fù)到原始展開形狀，滿足衛(wèi)星展開結(jié)構(gòu)的快速響應(yīng)要求。與傳統(tǒng)的展開結(jié)構(gòu)材料相比，快響應(yīng)雙向形狀記憶聚氨酯復(fù)合材料具有更好的柔韌性和可變形性，能夠在較小的空間內(nèi)進行折疊和展開。其重量輕的特點也有助于減輕衛(wèi)星的整體重量，降低發(fā)射成本。通過實際衛(wèi)星發(fā)射和運行測試，采用快響應(yīng)雙向形狀記憶聚氨酯復(fù)合材料展開結(jié)構(gòu)的衛(wèi)星，其展開成功率達到98%以上，比傳統(tǒng)材料展開結(jié)構(gòu)的成功率提高了5個百分點。這表明該復(fù)合材料在衛(wèi)星展開結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用具有較高的可靠性和穩(wěn)定性。4.2生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用案例在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，快響應(yīng)雙向形狀記憶聚氨酯復(fù)合材料憑借其良好的生物相容性和獨特的形狀記憶性能，展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，以下通過具體案例進行分析。在組織工程支架方面，某研究團隊利用快響應(yīng)雙向形狀記憶聚氨酯復(fù)合材料制備了骨組織工程支架。傳統(tǒng)的骨組織工程支架多采用金屬、陶瓷等材料，存在生物相容性差、降解速度難以控制等問題。而快響應(yīng)雙向形狀記憶聚氨酯復(fù)合材料具有良好的生物相容性，能夠與人體組織良好結(jié)合，減少免疫排斥反應(yīng)。其形狀記憶性能可以在植入人體后，根據(jù)周圍組織的生長環(huán)境和力學(xué)需求，通過溫度等刺激實現(xiàn)形狀的可逆轉(zhuǎn)變，為骨組織的生長提供更好的支撐和引導(dǎo)。該研究團隊通過3D打印技術(shù)，將快響應(yīng)雙向形狀記憶聚氨酯復(fù)合材料制備成具有特定孔隙結(jié)構(gòu)的骨組織工程支架?？紫督Y(jié)構(gòu)對于骨組織的生長和營養(yǎng)物質(zhì)的傳輸至關(guān)重要。在體外細胞實驗中，將骨髓間充質(zhì)干細胞接種到該支架上，觀察細胞的黏附、增殖和分化情況。結(jié)果顯示，骨髓間充質(zhì)干細胞在支架上能夠良好地黏附和增殖，并且在誘導(dǎo)條件下能夠向成骨細胞分化。這表明該支架能夠為細胞提供良好的生長微環(huán)境，促進骨組織的再生。在動物實驗中，將支架植入到大鼠的骨缺損部位，經(jīng)過一段時間的觀察，發(fā)現(xiàn)骨缺損部位有新骨形成，并且支架與周圍組織緊密結(jié)合，沒有出現(xiàn)明顯的炎癥反應(yīng)。這進一步證明了快響應(yīng)雙向形狀記憶聚氨酯復(fù)合材料在骨組織工程支架應(yīng)用中的可行性和有效性。在醫(yī)療器械領(lǐng)域，快響應(yīng)雙向形狀記憶聚氨酯復(fù)合材料也有應(yīng)用實例。例如，一種新型的血管支架采用了快響應(yīng)雙向形狀記憶聚氨酯復(fù)合材料。血管支架是治療心血管疾病的重要醫(yī)療器械，傳統(tǒng)的金屬血管支架存在血栓形成、再狹窄等問題?？祉憫?yīng)雙向形狀記憶聚氨酯復(fù)合材料具有良好的生物相容性，能夠減少血栓形成的風(fēng)險。其形狀記憶性能可以使支架在低溫下易于輸送和植入，在體溫環(huán)境下迅速恢復(fù)到原始形狀，對血管起到支撐作用。研究人員對這種血管支架進行了體外模擬實驗和動物實驗。在體外模擬實驗中，將支架置于模擬血管的流體環(huán)境中，觀察支架在不同溫度下的形狀變化和力學(xué)性能。結(jié)果表明，支架在低溫下具有良好的柔韌性，便于輸送和操作；在體溫環(huán)境下，能夠迅速恢復(fù)到預(yù)定形狀，并且具有足夠的力學(xué)強度來支撐血管。在動物實驗中，將支架植入到兔子的冠狀動脈中，經(jīng)過一段時間的觀察，發(fā)現(xiàn)支架能夠有效地擴張血管，改善血流情況，并且沒有出現(xiàn)明顯的血栓形成和再狹窄現(xiàn)象。這說明快響應(yīng)雙向形狀記憶聚氨酯復(fù)合材料制備的血管支架具有良好的性能和應(yīng)用前景。4.3智能紡織品領(lǐng)域應(yīng)用案例在智能紡織品領(lǐng)域，快響應(yīng)雙向形狀記憶聚氨酯復(fù)合材料的應(yīng)用為其發(fā)展帶來了新的契機，顯著提升了紡織品的性能和功能性，以下通過具體案例進行分析。某知名運動品牌推出了一款采用快響應(yīng)雙向形狀記憶聚氨酯復(fù)合材料的智能運動服裝。傳統(tǒng)運動服裝在不同運動狀態(tài)下，難以滿足人體對服裝舒適性和功能性的多樣化需求。而這款智能運動服裝利用快響應(yīng)雙向形狀記憶聚氨酯復(fù)合材料的形狀記憶性能，能夠根據(jù)人體運動狀態(tài)和環(huán)境溫度的變化，自動調(diào)整服裝的形狀和透氣性。當(dāng)運動員進行高強度運動時，身體產(chǎn)生大量熱量，服裝溫度升高，復(fù)合材料在溫度刺激下發(fā)生形狀變化，使服裝的孔隙增大，透氣性增強，加快散熱，保持身體