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華南理工章圓方/青島理工朱曉陽 Prog. Mater. Sci. 綜述：電熱激活軟材料 - 機理、方法與應用

2024-12-06 來源：高分子科技

智能材料能夠在外部激勵（熱、光、磁等）作用下表現出自主變形、形狀記憶、剛度變化、顏色變化等響應行為。其中，智能軟材料由于具有質量輕、變形大、性能可調等優點而成為近年來的研究熱點。采用適宜的激活技術對實現智能軟材料的工程化應用至關重要。電熱激活軟材料（EASMs），通過整合智能軟材料和電熱激活技術來定制各種功能，具有能效高、設計靈活、適用范圍廣、設備依賴度低等優點，已成功應用于航空航天，并在軟體機器人、生物醫療、人機交互和智能家居等前沿領域有著廣闊的應用前景。

近年來，針對EASMs性能提升、功能開發、理論建模和精準成形的研究已經取得了一定的進展。然而，如何通過豐富的材料庫、多場耦合模型和一體化制造技術實現性能協同、多功能集成的EASMs或EASM器件及其工程化應用仍有待深入探索。鑒于此，華南理工大學章圓方副教授團隊聯合青島理工大學蘭紅波教授/朱曉陽教授團隊，在材料科學領域頂級期刊Progress in Materials Science（IF：33.6）發表了題為“Electrothermally activated soft materials: Mechanisms, methods and applications”的長篇綜述論文，從材料科學、應用物理和先進制造等多學科視角分析了EASMs的挑戰與未來方向，以期促進學科交叉融合，最終推動EASMs在更多領域的工程化應用。

圖1 論文總體框架

首先，論文分析了面向EASMs的電熱激活技術在航空航天、智能電子、人機交互等前沿領域的工程需求及相對其他競爭技術（包括氣壓、電場、光場、磁場驅動等）的優勢（圖2）。進而建立了EASMs材料庫，包括形狀記憶聚合物（SMP，圖3）、液晶彈性體（LCE，圖4）、低熔點合金（LMPA，圖5）、液氣相變材料（LVPCM，圖6）和其他熱脹材料，系統地闡述了上述EASMs的激活機制、獨特性能與功能并給出了選材原則（圖2b）。

圖2 面向EASMs的電熱激活技術工程需求及優勢

圖3 SMP的性能及功能

圖4 LCE的性能及功能

圖5 LMPA的性能及功能

圖6 LVPCM的類型及致動特點

其次，重點討論了電加熱器件的設計問題。電加熱器件在智能軟材料中的集成形式分為導電填料、導電薄膜和加熱電路三種類型（圖7），從功耗角度對比了這三類電加熱器件的加熱性能（圖8），從電-熱-力多場耦合的角度闡述了面向EASMs理論模型的發展與挑戰，從結構設計角度討論了加熱電路結構-性能（加熱、力學性能）間的關系。