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浙大羅英武教授團隊《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恢復(fù)其原始形狀；而塑料在拉伸后屈服，會出現(xiàn)殘余應(yīng)變。如果不同的力學響應(yīng)可以在一塊材料中局部地被編程和反復(fù)定義，這種局部力學響應(yīng)失配的材料就有機會在一次簡單的拉伸釋放后，實現(xiàn)復(fù)雜且可重構(gòu)的變形。


  浙江大學化工學院羅英武教授課題組設(shè)計了一個簡單的二元材料體系（相變石蠟分子+彈性體）實現(xiàn)了上述設(shè)想。以最簡單的構(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，石蠟分子的擴散會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響應(yīng)差異，彈性體平面方向內(nèi)的不同力學響應(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)域力學響應(yīng)失配的拉伸激活的變形行為可以通過石蠟溶脹動力學以及材料力學的耦合進行預(yù)測（圖3a-b）。溶脹動力學控制了石蠟的空間分布，從而可以控制最終形狀。因此，溶脹時間也可以作為一個參數(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)測以及通過溶脹時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)測的。當前的策略可以為軟變形設(shè)備的設(shè)計提供一個多功能平臺，并且局部彈塑性的成功整合也為有望為制造全新的機械超材料提供新機會。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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（責任編輯：xu）
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