基于聚四氢呋喃的形状记忆聚氨酯的合成及形状记忆性能

采用两步法合成了以聚四氢呋喃(PTMG)为软段,4,4′-二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)、扩链剂2,2-二羟甲基丙酸(DMPA)和封端剂4-(2-(吡啶-4-基)乙烯基)苯酚为硬段的形状记忆聚氨酯(PTMGUs)。通过傅里叶变换红外光谱和核磁共振氢谱等表征了其结构,将聚氨酯制成薄膜后,分别通过热重分析、差示扫描量热及循环拉力动态力学分析等测试研究了硬段含量对其热性能和形状记忆性能的影响,摄像记录其形状回复过程。结果表明,不同硬段含量的PTMGUs都具有较好的形状记忆性能,4次重复形状记忆循环中PTMGUs的平均固定率与回复率都高于90%,其中PTMGU3(硬段质量分数为35%)的形状记忆性能最佳,平均固定率达到96.9%,平均回复率达到99.5%。     

不同硬段结构的聚丁二烯聚氨酯弹性体的形态结构研究

用端羟基聚丁二烯（ＨＴＰＢ,Ｍｎ＝２１６０,ｆｎ＝２．０）作为软段,甲苯二异氰酸酯（ＴＤＩ）,不同结构的二醇扩链剂为硬段,采用溶液二步法合成了不同硬段结构的聚丁二烯聚氨酯弹性体,用ＴＥＭ、ＳＥＭ、ＷＡＸＤ、ＳＡＸＡ、ＤＳＣ对聚合物进行了表征,表明,聚合物具有微相分离的结构特征,不同的溶剂对聚合物的形态有较大的影响。烷基扩链剂的链长对聚合物的结晶无影响,而缩二醇扩链剂的链长对聚合物的结晶有较大的影响     

形状记忆聚氨酯的研究进展

聚氨酯是一种多嵌段共聚物,可通过调节原料的组成和配比,得到性能各异的新型功能高分子材料。由硬段、软段交替排列组成的聚氨酯分子链,具有微相分离的本体结构,符合热致形状记忆高分子的条件,并具有良好的强度、硬度、耐磨性、耐挠曲性和生物相客性等优异性能。本文概括了聚氨酯的形状记忆原理和特征,并对形状记忆聚氨酯的研究进展作了重点阐述。     

形状记忆聚氨酯的性能研究及应用

分析了影响形状记忆聚氨酯性能的主要因素,综述了形状记忆聚氨酯硬段与软段的结构改性,复合改性的研究进展,并对近年来形状记忆聚氨酯的应用进行了总结和展望。     

形状记忆聚氨酯

介绍了形状记忆聚氨酯的发展状况、记忆过程及原理、影响因素、合成制备以及应用 ,并指出了其目前性能上的不足及今后研究的重点。     

液化MDI基形状记忆聚氨酯软段组成的选择

以液化MDI和BDO（1,4-丁二醇）为硬段,分别以聚乙二醇（PEG）,聚己二酸乙二醇酯（PEAG）,聚己二酸丁二醇酯（PBAG）,聚己二酸己二醇酯（PHAG）,聚己内酯（PCL）为软段合成了聚氨酯形状记忆材料。通过FT—IR,DSC等考察了它们的结构,比较了聚乙二醇聚氨酯（EGPU）,聚己二酸乙二醇酯聚氨酯（EAPU）,聚己二酸丁二醇酯聚氨酯（BAPU）,聚己二酸己二醇酯聚氨酯（HAPU）及聚己内酯聚氨酯（CLPU）的形状记忆性能和力学性能,研究表明,PHAG是液化MDI基形状记忆聚氨酯软段的最佳原料。     

水性聚氨酯的硬段结晶与粘接性能

将HDI与IPDI按照不同的摩尔比混合后与PTMG-2000、1,4-BG、DMPA反应,制备了具有不同硬段规整度的系列水性聚氨酯;利用WXRD、DSC、FT-IR等研究了HDI对水性聚氨酯的硬段结晶性能的影响,分析了硬段结晶度与粘接性能之间的关系。结果表明,随着HDI/IPDI摩尔比的增加,水性聚氨酯分子链上氨基甲酸酯键之间氢键密度提高,硬段结晶性能也随之改善;对铝箔的初粘接强度显著增强,最终粘接强度可达8.5 MPa左右。     

形状记忆聚氨酯材料的研究进展

形状记忆聚氨酯是一种可以响应外界刺激,并通过特定的热力学过程回复到初始形态的新型智能高分子材料。基于不同的应用,提供形状展开功能、形状固定及回复功能、形状回复率及回复力可控等性能。形状记忆聚氨酯可以通过热、电、光、磁等方式直接或者间接地激发材料的形状记忆性能,在智能纺织、航空航天、生物医用等领域具有广阔的应用前景。首先介绍了形状记忆聚氨酯的结构、记忆机理和分类;然后讨论了影响其形状记忆性能的因素,主要包括硬段种类和含量的影响、软段的种类和相对分子质量的影响、交联剂的影响、掺杂填料的影响等。在此基础上总结了形状记忆聚氨酯在不同领域的应用进展,最后展望了形状记忆聚氨酯网络结构化设计思路和未来的发展方向。     

生物聚氨酯/羟基磷灰石微相分离与形状记忆性能

形状记忆功能化生物聚氨酯在医用植入体材料中备受关注,而聚氨酯的形状记忆性能与其微相分离结构密切相关。文中以可降解聚己内酯二醇(PCL-diol)、脂环形异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)、1,4-丁二醇(BDO)为单体通过两步法合成生物聚氨酯(PU),以溶液共混的方式加入PU基体中,制备了一系列聚氨酯/羟基磷灰石(PU/HA)复合材料。通过场发射扫描电子显微镜、傅里叶变换红外光谱、热失重分析和动态力学热分析等不同表征方法研究了HA的引入对PU基体微相分离的影响,及其与宏观形状记忆性能的关系,并考察了材料的生物安全性。结果表明,HA的引入明显促进了PU的微相分离,随着HA含量的增加,硬段与软段的玻璃化转变温度差值越大,表明微相分离程度越高。在HA质量分数低于15%时,HA的含量越高,形状回复越快,表明微相分离程度越高,形状记忆性能越好。L929细胞毒性测试结果显示,PU/HA具有良好的细胞安全性,在医用骨修复领域有潜在的应用价值。     

新型形状记忆合金隔震支座设计与分析

利用形状记忆合金（Shape Memory Alloy,SMA）的独特性能研制合适的隔震装置是SMA在隔震领域应用的关键之一。本文利用SMA超弹性特性设计了一种超弹性SMA隔震支座;根据该支座构造及其工作原理推导了该支座的理论模型,进而建立了有限元模型,应用理论模型进行数值模拟并与有限元结果进行了对比;数值分析了SMA棒长度、SMA棒半径和SMA棒与水平向夹角等主要参数对SMA支座力学性能的影响。结果表明,本文设计的SMA隔震支座呈现出非线性滞回特性,合理调节支座各参数能够在一定程度改善支座性能     

Structure and properties of ductile CuAlMn shape memory alloy synthesized by mechanical alloying and powder metallurgy

A ductile Cu–Al–Mn–Ti–B shape memory alloy with high fatigue strength has been prepared via mechanical alloying and powder metallurgy. With increasing milling time, the size of the crystallite grains decreases. Cu diffraction pattern appeared only after milling at a speed of 300 rpm for 25 h. The single phase CuAlMnTiB solid solution powder after 35 h milling was hot-pressed and extruded to form the final alloy. The quenched alloy had a single β phase at room temperature and its yield strength, maximum strength and strain were measured to be 390 MPa, 1015 MPa and 14.4%, respectively. The aged alloy showed a martensite structure at room temperature and had a shape memory recovery of 92% after 120 cycles.     

Material design and shape memory properties of smart composites composed of polymer and ferromagnetic shape memory alloy particles

Ferromagnetic shape memory alloys (FSMAs) such as NiMnGa are expected to be new practical actuator materials with high driving frequency by magnetic field and large strain due to the shape memory effect (SME). However, the brittleness and poor workability of FSMAs, especially at a polycrystalline state, are serious problems and should be improved for a practical use. From this viewpoint a smart composite has been designed by a combination of a polymer matrix and FSMA particles (FSMAP), and a systematic investigation has been done for a NiMnGa-FSMAP/epoxy smart composite. This paper summarizes the design concept and some experimental results of the smart composite. It is pointed out that the single-crystal NiMnGa-FSMAP are easily made by mechanical crush due to the brittleness of FSMAs, and microstructural control is also possible by applying magnetic field during curing. Experimental study revealed that the NiMnGa-FSMAP/epoxy smart composites exhibit both tensile ductility and SME, and that shape memory properties become improved by decreasing particle size of FSMAP. It is concluded that the FSMAP/polymer smart composite has a large potential to be a new practical actuator material.     

形状记忆聚氨酯热力耦合变形行为实验和有限元模拟

在室温下对形状记忆聚氨酯进行不同应变率下的单调拉伸实验,结合红外测温仪对试样表面温度进行同步监测,研究拉伸过程中的热力耦合效应。结果表明:当应力达到屈服峰后,分子链解缠导致了屈服软化,同时分子链之间的摩擦诱发了局部化温升;随着载荷继续增加,分子链在拉伸方向优先取向导致应变硬化发生,响应的应力和温度不断升高。同时发现,屈服峰和局部化温升均随着应变率的增加而显著增加,然而材料耗散生热诱导的应变软化和应变硬化之间存在竞争机制,使得局部化塑性流动过程对应变率的敏感性降低。基于有限元软件ABAQUS建立板状试样拉伸的有限元模型,对形状记忆聚氨酯的拉伸变形进行热力耦合分析。通过比较不同时刻的塑性应变场和温度场云图发现,局部化的塑性流动和温升均从初始缺陷处萌生,并逐渐向中间移动直至扩展到整个试样。进而提取不同加载速率下的平均温升曲线与实验结果进行了对比,发现二者吻合度较高。     

单辊旋淬法制备含Ti的Fe基形状记忆合金的组织与性能

采用单辊旋淬法制备了3种不同组成的Fe基形状记忆合金(shape memory alloy,SMA):Fe-30Mn-6Si、Fe-30Mn-6Si-1Ni、Fe-30Mn-6Si-1Ni-1Ti。采用X射线衍射仪(XRD)、金相显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)分析了合金的成分及结构,通过拉伸实验测量合金的形状恢复率。结果表明,在Fe-30Mn-6Si合金中,除奥氏体晶粒外出现少量枝晶偏析,其二次枝晶臂间距为0.2μm。Fe-30Mn-6Si-1Ni、Fe-30Mn-6Si-1Ni-1Ti中等轴奥氏体晶粒均匀分布,且后者晶粒较大。预变形量为1%,1.5%时,Fe-30Mn-6Si-1Ni的形状恢复率高于Fe-30Mn-6Si-1Ni-1Ti;预变形量为2%时,Fe-30Mn-6Si-1Ni-1Ti的形状恢复率高于Fe-30Mn-6Si-1Ni;预变形量为3%时,Fe-30Mn-6Si-1Ni-1Ti的形状恢复率出现最大值2%。     

Ni50.1Mn24.1Ga20.3Fe5.5形状记忆合金多晶纤维的双程形状记忆效应

通过熔体抽拉技术制备Ni_50.1Mn_24.1Ga_20.3Fe_5.5多晶纤维,采用步进式热处理释放因快速凝固引起的内应力和缺陷,利用场发射扫描电子显微镜、透射电子显微镜、XRD衍射仪对其微结构和相结构进行表征,采用动态机械拉伸仪测试其相变行为和双程形状记忆性能。结果表明:热处理后原子有序度显著提高,孪晶界平直,在恒应力作用下一个热循环中母相和马氏体相的形状得到完全恢复。双程形状记忆曲线显示了热弹性马氏体相变的两个基本特征:可逆性和热滞性。在热循环实验中,纤维被加载到198 MPa时,其马氏体态总应变达到1.32%。根据热机械拉伸测量,发现相变温度遵循Clausius-Clapeyron关系式。与诸如Ti-Ni和Cu-Al-Ni的其他合金相比,Fe掺杂的纤维显示出较小的应变-应力依赖性,在恒应变输出的驱动中是有益的。     

多孔Ni-Mn-Ga-Co磁性形状记忆合金的制备及磁学特性研究

首先采用球磨法制备了不同粒度的Ni-Mn-Ga-Co合金粉末,然后通过3D打印技术成功制备了泡沫结构的多孔Ni-Mn-Ga-Co磁性形状记忆合金。利用SEM、DSC和XRD等研究了合金的微观组织特征、物相结构、相变特性和相关的磁性行为。结果表明,球磨后经过分筛得到的不同粒径尺寸的合金粉末均为不规则形状。Ni-Mn-Ga-Co合金粉末在室温下为非调制四方马氏体结构,其特征峰十分明显。Ni-Mn-Ga-Co合金的DSC曲线上出现宽峰相变,添加Co元素对马氏体转变温度开始值(Ms)基本没有影响,但其居里温度(Tc)有显著的提高。采用粒径为50~100μm的合金粉末烧结制备的磁性合金,饱和磁化强度最大可达68 Am^2/kg。合金粉末粒径越小,烧结制备的多孔Ni-Mn-Ga-Co磁性形状记忆合金致密度越高。当合金粉末粒径<50μm时,致密度可达90%;当合金粉末粒径为50~100μm时,致密度仅为75%。相较于粒径较小的合金粉末,粒径较大的合金粉末制备的磁性合金磁感生应变能力更高,这是由于泡沫结构能够有效减少内部和外部的约束,从而有利于提高磁场诱导应变。     

A non‐reflecting layer method for non‐linear wave‐type equations on unbounded domains with applications to shape memory alloy rods

In this paper a new technique is introduced and applied in solving one‐dimensional linear and non‐linear wave‐type equations on an unbounded spatial domain. This new technique referred to as the non‐reflecting layer method (NRLM) extends the computational domain with an artificial layer on which a one‐way wave equation is solved. The method will be applied to compute stress waves in long rods consisting of NiTi shape memory alloy material subjected to impact loading and undergoing detwinning and pseudo‐elastic material responses. The NRLM has been tested on model problems and it has been found that the computed solutions agree well with the exact solutions, i.e. normalized error levels are in ranges acceptable for engineering computations. Copyright © 2005 John Wiley & Sons, Ltd.     

Fe-Mn-Si-Cr-Ni系形状记忆合金管接头形状记忆效应和耐腐蚀性能的研究

研究了Fe-Mn-Si-Cr-Ni系形状记忆合金管接头形状记忆效应和耐腐蚀性能。结果表明,随着预变形量的增加,管接头的形状记忆效应下降,而恢复应变呈上升趋势,当预变形超过5.3%左右时,上升幅度不大;连接状态的管接头在模拟油田介质中的耐腐蚀性能比3.5%的NaCl溶液中的抗蚀性差;在模拟油田介质中,连接状态和未连接的管接头相比,由于回复应力使表面产生拉应力以及应力诱发ε马氏体的存在,使连接状态的管接头耐腐蚀性能下降;随着预变形的增大,由于回复应力、管接头裂纹以及晶体缺陷密度增加的共同作用,使连接状态的管接头耐腐蚀性能降低。