基于高級(jí)形狀記憶技術(shù)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，制造和再循環(huán)

王韜熹，胡嘉恩，Salvekar Abhijit Vijay，翁毅偉，黃為民

(南洋理工大學(xué) 機(jī)械與宇航學(xué)院，新加坡639798)

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基于高級(jí)形狀記憶技術(shù)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，制造和再循環(huán)

王韜熹，胡嘉恩，Salvekar Abhijit Vijay，翁毅偉，黃為民

(南洋理工大學(xué) 機(jī)械與宇航學(xué)院，新加坡639798)

在經(jīng)歷了大“塑性”變形后，通過施加某種特定激勵(lì)(如變溫、浸泡化學(xué)溶劑、試劑、光照等)，材料能夠恢復(fù)到原來的形狀。具有這種形狀記憶效應(yīng)功能的材料被稱為形狀記憶材料。一系列試驗(yàn)表明， 聚合物材料大都具有熱驅(qū)動(dòng)和化學(xué)驅(qū)動(dòng)的形狀記憶效應(yīng)。最近的研究更證實(shí)了：依據(jù)多種基本原理，人們不僅可以通過修改已有的材料(如各種工程塑料)，來設(shè)計(jì)新材料，并且可以優(yōu)化材料，使之具有我們需要的形狀記憶功能去滿足工程應(yīng)用的要求。因此，此種技術(shù)可以被稱為高級(jí)形狀記憶技術(shù)，以區(qū)別過去只局限于某些特定材料的形狀記憶及其技術(shù)。高級(jí)形狀記憶技術(shù)可以為產(chǎn)品從設(shè)計(jì)、制造到最終再循環(huán)提供不同于傳統(tǒng)方法的思路。著重介紹了這一方面的最新進(jìn)展。

聚合物；形狀記憶；產(chǎn)品設(shè)計(jì)；制造；再循環(huán)

1　前　言

形狀記憶效應(yīng)(SME)是指材料在某種特定刺激的作用下恢復(fù)其初始形狀的現(xiàn)象。具有這種效應(yīng)的材料被稱為形狀記憶材料[1-3]。形狀記憶技術(shù)(SMT)的提出最初是專門針對(duì)形狀記憶合金及其工程應(yīng)用[4,5]。最近的一系列研究表明，聚合物材料(包括許多工程塑料)大都具有加熱驅(qū)動(dòng)和化學(xué)溶劑驅(qū)動(dòng)的形狀記憶效應(yīng)[6]。因此有人提出聚合物的形狀記憶功能在很多場(chǎng)合下可以完全改變傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)概念[7]。不僅如此，我們也已經(jīng)看到形狀記憶功能還可以應(yīng)用于產(chǎn)品制造和再循環(huán)[8-12]。近年來，隨著許多與形狀記憶相關(guān)的新現(xiàn)象和新技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的形狀記憶技術(shù)(SMT)可以進(jìn)一步擴(kuò)展為高級(jí)形狀記憶技術(shù)(ASMT)[13]，其主要內(nèi)容包括以下3個(gè)方面：①使傳統(tǒng)材料具有形狀記憶效應(yīng)的技術(shù)；②設(shè)計(jì)/合成某種特定的材料，使其具有某一特定工程應(yīng)用所需要的形狀記憶功能；③優(yōu)化材料形狀記憶性能的技術(shù)。盡管高級(jí)形狀記憶技術(shù)并不是只局限于聚合物材料，本文將以聚合物材料為例，著重探討其在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造和再循環(huán)這一完整的產(chǎn)品生命周期中的應(yīng)用前景。

本文第二節(jié)將概述可以用于實(shí)現(xiàn)形狀記憶效應(yīng)的幾類通用工作機(jī)理；第三節(jié)將討論采用高級(jí)形狀記憶技術(shù)的幾個(gè)典型設(shè)計(jì)；第四節(jié)將介紹基于高級(jí)形狀記憶技術(shù)的幾種制造工藝；第五節(jié)是關(guān)于高級(jí)形狀記憶技術(shù)在自修復(fù)和再循環(huán)中的應(yīng)用；第六節(jié)總結(jié)一些主要的結(jié)論。

2　工作機(jī)理

形狀記憶效應(yīng)的實(shí)現(xiàn)可以基于某些特定的物理現(xiàn)象或者不同的工作機(jī)理[14]。其中一些依賴于所具體采用的材料和應(yīng)用的特定環(huán)境，甚至與尺寸大小相關(guān)(也就是所謂的尺寸效應(yīng))。這里，只簡(jiǎn)單介紹3種可應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)聚合物的熱驅(qū)動(dòng)形狀記憶效應(yīng)的通用工作機(jī)理[15]，如圖1中(I)，(II)和(III)所示。

圖1　工作機(jī)理[15]Fig.1　Working mechanisms[15]

雙態(tài)機(jī)理(DSM)(圖1 I)

一個(gè)典型的例子是利用聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)換。在溫度高于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)時(shí)，聚合物處于較軟的彈性態(tài)，可以被輕易地壓縮(b)。當(dāng)冷卻到Tg以下后，聚合物處于較硬的玻璃態(tài)。去除約束后，大部分的壓縮變形可以被保留(c)。而一旦再次加熱到Tg以上，聚合物再次恢復(fù)到其初始形狀。在壓縮變形過程中，聚合物分子鏈的交聯(lián)部分(可以是化學(xué)交聯(lián)或物理交聯(lián))儲(chǔ)存彈性能，在之后的加熱恢復(fù)過程中，儲(chǔ)存的彈性能提供形狀恢復(fù)的動(dòng)力。

雙成分機(jī)理(DCM)(圖1 II)

在這一機(jī)理中，聚合物至少包含兩個(gè)部分，可以是硬段(Hard Segment)與軟段(Soft Segment)或者是基體(Matrix)和夾雜物(Inclusion)。硬段(基體)必須在某一特定實(shí)際應(yīng)用的工作溫度范圍內(nèi)一直保持彈性，而軟段(夾雜物)受熱后變軟，由此材料變得容易變形(b)。和雙態(tài)機(jī)理一樣，冷卻并且移除約束之后，軟段(夾雜物)變硬，因此壓縮變形可以基本被保持(c)。當(dāng)材料被再次加熱導(dǎo)致軟段(夾雜物)變軟而解除對(duì)硬段(基體)的約束，從而導(dǎo)致形狀恢復(fù)(d)。

局部轉(zhuǎn)化機(jī)理(PTM)(圖1 III)

在沒有分子鏈的交聯(lián)或者硬/軟段(基體/夾雜物)的情況下，加熱材料到某一轉(zhuǎn)化溫度(比如熱熔膠的融化溫度)范圍內(nèi)。因?yàn)榫酆衔镏挥幸徊糠肿冘?，我們可以將此時(shí)的材料看成是一個(gè)如前面說談到的由基體和夾雜物組成的雙成分系統(tǒng)。因此，這一機(jī)理可以被用來實(shí)現(xiàn)材料的形狀記憶效應(yīng)。

在形狀記憶聚合物領(lǐng)域，雙態(tài)機(jī)理和雙成分機(jī)理被之前的大多數(shù)研究工作所采用，而局部轉(zhuǎn)化機(jī)理之前并沒有引起人們特別的關(guān)注。實(shí)際上，局部轉(zhuǎn)化機(jī)理在近期的一些研究(比如基于單一轉(zhuǎn)變的多形態(tài)記憶效應(yīng))中是與前兩種機(jī)理結(jié)合在一起的。

一般來說，一個(gè)完整的形狀記憶效應(yīng)過程包括兩個(gè)步驟。第一個(gè)步驟是預(yù)設(shè)材料的臨時(shí)形狀(Programming);而接下來的步驟是形狀恢復(fù)(Shape Recovery)。需要指出的是，和其他形狀記憶材料(比如形狀記憶合金或陶瓷)相比較，雖然高恢復(fù)應(yīng)變和高形狀恢復(fù)率是形狀記憶聚合物的特性，但在實(shí)際工程應(yīng)用中，這兩者都不一定是必需的。比如說，5%以下的壓縮恢復(fù)應(yīng)變就可以導(dǎo)致起皺現(xiàn)象，而在這一類工程應(yīng)用中，100%的形狀恢復(fù)率也并非是必須的[16]。

根據(jù)上述3種工作機(jī)理，我們可以使現(xiàn)某些聚合物材料具有形狀記憶效應(yīng)，也可以通過DIY的方式設(shè)計(jì)所需要的形狀記憶材料，還可以簡(jiǎn)單地通過改變某些預(yù)設(shè)過程中的參數(shù)(溫度和應(yīng)變)，來實(shí)現(xiàn)形狀記憶功能的優(yōu)化和實(shí)現(xiàn)特定的形狀記憶功能[17]。

如圖2所示，普通的有機(jī)玻璃(PMMA)(Tg約110～120 ℃)可以通過不同的預(yù)處理方式實(shí)現(xiàn)指定的形狀恢復(fù)。(I)為室溫(約22 ℃)下略微彎曲后，樣品由于蠕變效應(yīng)緩慢地恢復(fù)原來的形狀；(II)中，樣品的兩端在不同溫度下預(yù)彎。上部為在略低于Tg的水中(96 ℃)輕度彎曲，而下部在高于Tg(130 ℃)下大幅度彎曲。在之后的逐步加熱過程中，于90 ℃下，上部彎曲略微恢復(fù)，而到98 ℃時(shí)，完全變直。下部在加熱到高于Tg后預(yù)變形才全部恢復(fù)；在(III)情況下，上部在不同溫度下彎曲兩次。第一次在高于Tg的溫度下向右彎曲，而第二次在98 ℃下輕微彎直。在之后的逐步加熱過程中，樣品上部在98 ℃時(shí)往下彎，而繼續(xù)加熱到Tg以上時(shí)恢復(fù)原來直線狀態(tài)。這一在加熱過程中的往復(fù)變形現(xiàn)象被稱為多形狀記憶效應(yīng)(Multiple-SME)[18]，并已經(jīng)被證明是大多聚合物的通性[19]。

圖2　有機(jī)玻璃的形狀恢復(fù)[20]Fig.2　Shape recovery in PMMA[20]

3　產(chǎn)品設(shè)計(jì)

高級(jí)形狀記憶技術(shù)提供了新的設(shè)計(jì)思路和方案，從而實(shí)現(xiàn)使用傳統(tǒng)的材料及技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的某些特殊功能。以下為一系列實(shí)例，包括在4D打印、微創(chuàng)手術(shù)器械、防偽/溫度標(biāo)簽及變形結(jié)構(gòu)蒙皮中的應(yīng)用。

3.14D打印

所謂4D打印，與3D打印相比多了一維。目前有多種不同的方法來定義這一增加的維度，可以是指材料的不均勻性(可以采用，比如多個(gè)打印頭來實(shí)現(xiàn)[21])，也可以是指3D打印出的結(jié)構(gòu)具有形狀/形貌變化的能力。這里采用后面的定義。3D打印結(jié)構(gòu)的形狀變化可以通過傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法來實(shí)現(xiàn)。如圖3a所示，通過結(jié)合雙穩(wěn)定結(jié)構(gòu)和柔性結(jié)構(gòu)這兩個(gè)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)概念，可以3D打印出一個(gè)結(jié)構(gòu)具有在兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)之間變化的功能。為了實(shí)現(xiàn)多次反復(fù)的變化，必須精心設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的尺寸，特別是在柔性鉸鏈的部分，避免過大的內(nèi)應(yīng)力而又不能喪失結(jié)構(gòu)的整體剛度。因?yàn)闊狎?qū)動(dòng)形狀記憶效應(yīng)是眾多聚合物都具有的本性[6]，我們完全可以利用形狀記憶效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)4D功能。如圖3b所示，3D打印(MakerBot Replicator II)出的聚乳酸(PLA)結(jié)構(gòu)(上)可以經(jīng)加熱后容易地變形(下)。再次加熱后，結(jié)構(gòu)完全恢復(fù)原來的形狀。

圖3　3D打印結(jié)構(gòu)的形狀變化：(a)雙穩(wěn)定柔性結(jié)構(gòu)(尼龍)；(b)形狀記憶效應(yīng)(聚乳酸)Fig.3　Shape switching in 3D printed structures：(a) Bi-stable compliant structure (nylon) and (b) SME (PLA)

圖4是用光固化(Polyjet)打印出的卡片(下)?？ㄆ械膯滩妓诡^像是從喬布斯的照片根據(jù)灰度直接轉(zhuǎn)換成3維圖像后，用Vero White打印。這張卡片加熱后可以彎卷(上)，再次加熱后恢復(fù)原狀。

圖4　用Vero White材料3D打印出的卡片F(xiàn)ig.4　3D printed card using VeroWhite

3.2微創(chuàng)手術(shù)器械

微創(chuàng)手術(shù)取代傳統(tǒng)大創(chuàng)口手術(shù)已經(jīng)成為目前手術(shù)發(fā)展的一大趨勢(shì)，但是微創(chuàng)手術(shù)仍然需要傷口縫合。目前采用的手術(shù)訂如聚乳酸，為生物可降解材料，但沒有自動(dòng)收縮的功能[14]。圖5a驗(yàn)證了3D打印出的聚乳酸釘可以通過加熱到略高于人體溫度而恢復(fù)原來的尺寸，從而實(shí)現(xiàn)手術(shù)訂的自收縮。圖5b是另一個(gè)3D打印出的可降解聚乳酸器械，可用于肝臟腫瘤治療中的栓塞療法。打印出的聚乳酸血管栓為螺旋形(下圖)。加熱后可以拉直塞入導(dǎo)管(上圖)，再由導(dǎo)管輸送到指定的部位推出。經(jīng)過再次加熱后，血管栓逐步恢復(fù)到原來的形狀從而達(dá)到封堵血管的目的。

在體內(nèi)手術(shù)中，熱驅(qū)動(dòng)的形狀記憶效應(yīng)存在加熱溫度不均勻及可能過熱的問題。水驅(qū)動(dòng)的形狀記憶效應(yīng)則可以完全避免這一類問題的發(fā)生。干水凝膠不僅具有水驅(qū)動(dòng)的形狀記憶效應(yīng)[22]，而且由于其顯著的吸水溶脹效應(yīng)，還往往伴隨著局部和整體失穩(wěn)現(xiàn)象的出現(xiàn)(如圖6)。通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，我們可以利用這樣的失穩(wěn)現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)快速的水驅(qū)動(dòng)血管封堵。

聚乙二醇(PEG)和聚乳酸-共-乙醇酸(PLGA)都是生物可降解的材料，通過了美國(guó)食品和藥物管理局(FDA)的認(rèn)證，可以用于人體內(nèi)。通過分析，絲狀的PEG(凝膠)/PLGA復(fù)合結(jié)構(gòu)(如圖7a)可以在體液(如血液)的作用下，于兩分鐘之內(nèi)將血管完全封堵死，阻止體液的流動(dòng)(如圖7b)，4～6周后隨著復(fù)合結(jié)構(gòu)的降解，血管重新打開。

圖5　3D打印的可降解自收縮手術(shù)訂(a)和血管栓(b)[13]Fig.5　3D printed biodegradable self-tightening staple (a) and vascular plug (b)[13]

圖6　干水凝膠浸水后溶脹伴隨著失穩(wěn)(從左向右)Fig.6　Swelling and buckling in wetting hydrogel in water (from left to right)

圖7　PEG/PLGA血管栓Fig.7　PEG/PLGA vascular plug

3.3防偽/溫度標(biāo)簽

“道高一尺，魔高一丈”，新的防偽技術(shù)不斷涌現(xiàn)。目前已有的形狀記憶聚合物防偽標(biāo)簽一般都是加熱后形貌出現(xiàn)或消失[23,24]，只有一次變化。為了增強(qiáng)防偽性能，可以在聚合物標(biāo)簽里加入水印(圖8a)，在加熱到某一指定溫度后，標(biāo)簽的表面形貌會(huì)發(fā)生變化(圖8b)，再進(jìn)一步加熱后，表面圖案徹底消失(圖8c)。

圖8　帶水印的形狀記憶聚合物標(biāo)簽Fig.8　Shape memory polymeric anti-counterfeit label with a water-mark

揭開留字標(biāo)簽(Void Paper)(圖9a1)是目前最常用的防止惡意開啟的封印手段之一。但是不法之徒仍然可以加熱后完整地揭下標(biāo)簽(圖9a2)，之后再次加熱將標(biāo)簽貼回。利用聚合物的形狀記憶效應(yīng)，可以使標(biāo)簽具有原來的揭開留字功能(圖9b1)，同時(shí)一旦被加熱就出現(xiàn)破損，從而達(dá)到標(biāo)簽防止被加熱轉(zhuǎn)移的目的 (圖9b 2～3)。其他可以實(shí)現(xiàn)防加熱轉(zhuǎn)移的方法包括，加熱后表面納米結(jié)構(gòu)消失導(dǎo)致結(jié)構(gòu)色消失(圖10中部)，加熱后二維碼變得不可讀(圖11)[25]等。

圖9　防加熱轉(zhuǎn)移揭開留字標(biāo)簽Fig.9　Anti-heat transfer void paper

圖10　加熱后納米結(jié)構(gòu)消失，從而引起結(jié)構(gòu)色消失Fig.10　Upon heating nano structure disappears and so does structural color

圖11　二維碼(左圖)，加熱后不可讀(右圖)Fig.11　After heating, QR code (left) becomes unrecognizable (right)

除了在防偽中的應(yīng)用，聚合物還可以用來檢測(cè)最高的歷史溫度。如圖12所示，在從80 ℃加熱到82 ℃的過程中，聚合物中部原來看不見的豎線條自右向左逐步出現(xiàn)。我們可以將這一方法和射頻識(shí)別(FRID)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)無需電源，快速批量地掃描所經(jīng)歷過的最高溫度。也可與近場(chǎng)通訊(NFC)結(jié)合用手機(jī)掃描冷凍物品是否超溫過。

圖12　形狀記憶溫度標(biāo)簽[13]Fig.12　Shape memory temperature label[13]

3.4變形結(jié)構(gòu)的蒙皮

變翼飛機(jī)等變形結(jié)構(gòu)目前最大的技術(shù)難點(diǎn)不是變形機(jī)構(gòu)本身，而是由大變形所引起的蒙皮內(nèi)部應(yīng)變不匹配所導(dǎo)致的局部屈曲。仿照人體皮膚的褶皺機(jī)理，可以利用形狀記憶效應(yīng)實(shí)現(xiàn)可控的微小褶皺。圖13中，

a是不受力時(shí)的自由狀態(tài)，而b和c分別是橫向受壓和豎向受壓時(shí)的狀態(tài)。由于表面本身有通過形狀記憶效應(yīng)形成的預(yù)設(shè)的微小缺陷，在之后任意受力狀態(tài)下由屈曲引起的變形都可以被局限在一定的范圍里。

圖13　形狀記憶蒙皮Fig.13　Shape memory skin

4　制　造

形狀記憶效應(yīng)可以用來作為一種新型的制造技術(shù)，比如可重復(fù)使用的內(nèi)模[10]，自組裝/自折疊結(jié)構(gòu)[26,27],還有主動(dòng)裝配[8]等都是一些很典型的應(yīng)用。

4.1自組裝

熱縮管/膜是形狀記憶效應(yīng)在聚合物中的經(jīng)典應(yīng)用。圖14中，聚合物套管加熱后直徑明顯收縮。和形狀記憶合金相比，聚合物熱縮管具有變形大，價(jià)格低，容易加工等顯著優(yōu)勢(shì)。更進(jìn)一步的應(yīng)用是形狀記憶聚合物螺栓。在圖15a中，將預(yù)拉伸過的聚合物圓棒插入需要連接的兩個(gè)部件的孔洞中，經(jīng)加熱后，聚合物膨脹從而將部件緊密連接在一起。在圖15b中，孔洞是有內(nèi)螺紋的，加熱膨脹后的聚合物螺栓可以用螺絲起子移去。這樣的螺栓具有很好的通用性，可以用于一系列不同大小尺寸的孔洞。

圖14　聚合物加熱收縮套管[8]Fig.14　Polymeric heat shrinkable tube[8]

4.2表面微形貌

無論是否有預(yù)設(shè)變形，以聚合物為基底，利用其上層彈性膜的表面起皺能夠形成各類如圖16中所呈現(xiàn)的表面圖案。與傳統(tǒng)的制備方法相比，利用形狀記憶效應(yīng)來保持預(yù)變形可以免除在加工中維持基體變形的麻煩。而且聚合物的形狀記憶效應(yīng)可以為形成各種起皺圖案提供極大的靈活性和便利性。

圖15　聚合物無螺紋(a)和有螺紋(b)螺栓[8]Fig.15　Polymeric screws without (a)and with (b) thread[8]

利用聚合物的形狀記憶效應(yīng)還可以實(shí)現(xiàn)材料表面形貌圖案的自發(fā)形成而無需借助任何涂層或表面化學(xué)改性。圖17是利用形狀記憶效應(yīng)處理過的聚苯乙烯表面。將皺紋的波長(zhǎng)減小到微米以下后可以形成結(jié)構(gòu)色，達(dá)到“黃金不是黃金色，但檢測(cè)結(jié)果都顯示是純正黃金”的效果。

圖16　聚合物表面的各種起皺圖案[11]Fig.16　Wrinkling atop polymer substrates[11]

圖17　自發(fā)形成的表面形貌Fig.17　Self-formed surface pattern

4.3復(fù)合微透鏡列陣

3D復(fù)合微透鏡陣列(或者昆蟲復(fù)眼)不僅可以提供大視角，同時(shí)也可以捕捉形成3D圖像。與傳統(tǒng)的制造方法相比，形狀記憶效應(yīng)提供了極為方便的另類微加工工藝。圖18是利用有機(jī)玻璃在乙醇中產(chǎn)生應(yīng)力增強(qiáng)溶脹現(xiàn)象和有機(jī)玻璃的熱驅(qū)動(dòng)形狀記憶效應(yīng)相結(jié)合而制造出3D微透鏡陣列。對(duì)于這種透鏡陣列，對(duì)焦不再是問題，因?yàn)槊總€(gè)單獨(dú)的微鏡頭有不同的焦距，可以實(shí)現(xiàn)“先拍攝后聚焦”。圖19中，每個(gè)鏡頭約20微米大，特別適用于微型監(jiān)視鏡頭和微型內(nèi)窺鏡。

4.4自適應(yīng)產(chǎn)品/用品

傳統(tǒng)批量制造工藝的產(chǎn)品都是標(biāo)準(zhǔn)化的，大家只能從中挑選。3D打印雖然可以做到個(gè)性化，但需要提供單獨(dú)的3D模型，且打印的價(jià)格不菲，性能上至少目前還不能做到完美。利用形狀記憶效應(yīng)，我們可以做到批量生產(chǎn)和個(gè)性化的有機(jī)結(jié)合。圖20是聚合物制成的“私人定制”把手。把手可以批量生產(chǎn)，當(dāng)加熱到50多度后再冷卻至室溫，即可握出適合自己手型的把手。圖21是可以隨時(shí)合腳的鞋。批量生產(chǎn)的鞋沒有碼，也不分左右。加熱到超過45 ℃后穿上，等冷卻后就是合腳的鞋，有彈性，也不會(huì)脫下后縮回去(圖21c上部的鞋)。如果腳在一天中發(fā)生了細(xì)微變化，隨時(shí)加熱重穿就可保證其合腳。

圖18　3D復(fù)合微透鏡列陣Fig.18　3D compound microlens array

圖19　兩個(gè)微透鏡在不同焦距下的成像效果Fig.19　Images of two microlenses at different focus lens

圖20　個(gè)性化的把手Fig.20　Personalized handle

圖21　隨時(shí)合腳鞋F(xiàn)ig.21　Comfort fitting shoes

5　自修復(fù)和再循環(huán)

產(chǎn)品在使用過程中會(huì)損壞，最終被遺棄。損壞的修復(fù)和廢棄產(chǎn)品的再循環(huán)利用都是目前熱門的研究課題。

5.1劃痕自修復(fù)

塑料制品的表面容易出現(xiàn)劃痕。雖然利用熱驅(qū)動(dòng)的形狀記憶效應(yīng)可以有效地減低劃痕的程度，但是要求的加熱溫度可能過高。化學(xué)驅(qū)動(dòng)的形狀記憶效應(yīng)可以避免過度加熱。圖22中聚苯乙烯表面有用鋒利的刀片切除的劃痕。劃痕的下半部分用丙酮濕潤(rùn)后，劃痕完全消失，而上半部分未經(jīng)處理，劃痕依舊。

5.2電器自拆卸

廢舊電器的回收再循環(huán)目前主要依靠手工拆卸再分類回收。利用聚合物的形狀記憶效應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)在逐步加熱的過程中，電器逐步自動(dòng)分解，如圖23所示。

圖22　劃痕修復(fù)(3D掃描)Fig.22　Healing of scratch (3D scanning)

圖23　在加熱過程中逐步自拆卸[8]Fig.23　Step-by-step disassembly upon heating[8]

5.3零部件自分解

拆卸下的零部件需要進(jìn)一步分解再利用。對(duì)大多數(shù)聚合物來說，分解成單體基本是個(gè)復(fù)雜，不環(huán)保，而且非經(jīng)濟(jì)的過程。另一途徑是把聚合物分解成小單元。圖24中，部件由水凝膠顆粒在高溫下壓制而成。浸泡入水后，水凝膠顆粒吸水脫落。分解后的顆?？梢越?jīng)干燥后重新利用。當(dāng)然，我們還可以利用水凝膠的熱驅(qū)動(dòng)形狀記憶效應(yīng)達(dá)到自分解，水凝膠也可以換成其他聚合物。

圖24　部件在水里自動(dòng)分解成水凝膠顆粒Fig.24　Self-disassembly of component into small hydrogel particles upon wetting in water

6　結(jié)　語

本文簡(jiǎn)要介紹了高級(jí)形狀記憶技術(shù)的概念及其與聚合物相關(guān)的基本工作原理。通過一系列實(shí)例，展示了高級(jí)形狀記憶技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)，制造和再循環(huán)中的各種運(yùn)用。與其他已經(jīng)成熟或目前正在發(fā)展的技術(shù)(如3D打印，納米壓痕印刷，結(jié)構(gòu)色，二維碼，射頻識(shí)別，近場(chǎng)通訊，自修復(fù)，自拆卸和微透鏡等)有機(jī)地結(jié)合，我們可以看到高級(jí)形狀記憶技術(shù)具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

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(本文為本刊約稿，編輯蓋少飛)

Advanced Shape Memory Technology for Product Design, Manufacturing and Recycling

WANG Taoxi，AW Jia En，SALVEKAR Abhijit Vijay，WENG Yiwei，HUANG Weimin

(School of Mechanical and Aerospace Engineering，Nanyang Technological University，639798，Singapore)

After being severely and quasi-plastically deformed, upon applying a particular stimulus, some materials are able to recover their original shape. Such a phenomenon is known as the shape memory effect (SME) and materials with this feature are called shape memory material (SMM).Recent experiments reveal that heating-/ chemo-responsive SMEs are almost intrinsic features of polymers. Further investigation confirms that based on various basic mechanisms, we are able to not only enable the SME in currently used materials, but also design a new SMM and further more optimize their performance. Hence, this technology may be termed advanced shape memory technology (ASMT), in order to distinguish it from the previous definition, which is limited to some particular SMMs. ASMT is able to reshape product design, fabrication and even recycling. This paper aims to review recent development in this area.

polymer；shape memory；product design；manufacturing；recycling

2015-7-30

王韜熹，男，1991年生，博士研究生通信作者：黃為民，男，1968年生，副教授，博士生導(dǎo)師，

Email：MWMHuang@ntu.edu.sg

10.7502/j.issn.1674-3962.2016.08.08

TB381

A

1674-3962(2016)08-0613-09