形状记忆高分子材料可以在外界刺激下按照既定的程序变形,这使得它在驱动器、传感器、药物传输等方面具有巨大的应用前景。由于高分子材料本身的低导热系数和缓慢的链运动速率,形状记忆高分子材料的响应速度较其它形状记忆材料(如形状记忆合金)仍然具有很大的差距。

近日,浙大高超(共同通讯)、许震(共同通讯)团队与马列(共同通讯)团队及其他合作者共同努力,突破了这一响应速度难题。该项工作以高度可拉伸的石墨烯气凝胶为模板,在其内部构筑由聚己内酯(polycaprolactone,PCL)纳米薄膜(2.5-60nm)搭建而成的形状记忆网络。其中,石墨烯纳米网络作为快速能量转换和能量注入通道,PCL纳米网络作为快速能量传递和形变载体。这种具有PCL/石墨烯互穿网络结构的气凝胶纳米复合材料在电信号刺激下,响应时间仅为50毫秒,响应速度达175±40 mm s-1,最大形变约100%。

该工作以“Millisecond Responseof Shape Memory Polymer Nanocomposite Aerogel Powered by Stretchable GrapheneFramework”为题发表在ACS Nano 上。

浙大高超课题组:超快响应的形状记忆高分子/石墨烯复合材料-复合材料网

图一. 传统形状记忆高分子共混复合材料和复合气凝胶(本文)示意图

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图二. a-e,该复合气凝胶材料的微观结构

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图三. 石墨烯/PCL复合气凝胶的形状响应性能

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图四. 石墨烯/PCL复合单片的形状记忆行为

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图五. 石墨烯/PCL复合气凝胶的应用

传统的形状记忆高分子复合材料多采用与导电添加剂共混的方法制备,从而导致导电网络到SMP基体的热传导距离一般在微米级。然而,高分子材料的热导率一般都较低 (比如本文使用的聚己内酯PC,~ 0.3 W mK-1),这就导致传统的共混形状记忆高分子材料的响应时间一般在秒级以上。此项研究以高度可拉伸的气凝胶为模板,在其表面构筑纳米级聚己内酯连续纳米层(2.5-60 nm),减少热传递距离。

此项研究所使用的可拉伸气凝胶是基于团队2018年的“Highly Stretchable Carbon Aerogels”工作(Nat.Commun.2018, 9, 881)进行展开(《自然·通讯》浙大高超教授团队研发出高可拉伸全碳气凝胶弹性体)。利用石墨烯气凝胶作为快速的能量注入和转换骨架,实现SMP快速相转变。最终得到响应时间在毫秒级(50 ms),伸长率在100% 以上的超轻复合气凝胶材料。

同时,该项工作利用浙大航空航天学院的王宏涛课题组自主开发的原位TEM样品杆,观察到复合气凝胶基本组成单元—石墨烯/PCL复合片在电刺激下的形状记忆行为。

该快速响应的超轻复合气凝胶材料具有广阔的应用前景,可被设计为超快速熔断器来保护精密电路,在过载情况下,可在134 ms 内断路,保护用电器。同时,它还可以与电磁铁结合,做为微型振荡器。

高超教授的博士研究生郭凡为论文第一作者,马列教授的博士研究生郑晓闻为论文第二作者。浙江大学高分子科学研究所马列教授和浙江大学航空航天学院王宏涛教授为这个工作的完成提供了大力支持和合作指导。论文得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委等相关经费的资助。