冷勁松：《形狀記憶聚合物材料及其4D打�,。簷C(jī)遇,、挑戰(zhàn)及應(yīng)用》

國際復(fù)合材料委員會副主席,、歐洲科學(xué)與藝術(shù)院院士、長江學(xué)者教授冷勁松：《形狀記憶聚合物材料及其4D打�,。簷C(jī)遇,、挑戰(zhàn)及應(yīng)用》主題演講。

冷勁松：非常感謝組委會以及工信部領(lǐng)導(dǎo)的邀請,，來做這個報(bào)告,，我是哈爾濱工業(yè)大學(xué)冷勁松。
   我給大家匯報(bào)的題目是形狀記憶聚合物材料及其4D打印,。跟前面幾位老師院士不一樣,，我們這個材料是能變形的材料。
   
首先匯報(bào)一下智能材料,。什么是智能材料,？智能料是指能夠?qū)ν饨绛h(huán)境響應(yīng)并且主動變形的材料，除了有母體材料,、傳感信息材料還有驅(qū)動材料,，也就是說環(huán)境變化傳感器能夠?qū)λ�進(jìn)行感知，有驅(qū)動器對它進(jìn)行驅(qū)動，同時融合信息控制,。實(shí)際上智能材料和結(jié)構(gòu),，是一個智能自主系統(tǒng)，里面包括傳感器,、驅(qū)動器,，還包括人工智能信息處理系統(tǒng)，當(dāng)然母體材料什么材料都可以,。
   
我的匯報(bào)分三個部分：第一部分是形狀記憶聚合物及其應(yīng)用,，第二部分是4D打印，第三部分是展望,。
   
形狀記憶聚合物，它跟金屬不一樣,，是一種高分子材料,，它是一種能變形的智能材料，是驅(qū)動材料,。
   
（PPT圖示）這是它的原理,，初始狀態(tài)它是直的，當(dāng)你加熱超過轉(zhuǎn)變溫度情況下這個材料變得很軟,，你可以加外力,，這個狀態(tài)加不了外力，它是硬的,。加了外力之后變成這個材料,，這個材料就固定住了，當(dāng)你再加熱之后這個材料恢復(fù)到初始狀態(tài),。所以這個材料有兩個特點(diǎn),，一個是變形，從這個材料恢復(fù)到這個材料,，恢復(fù)率99%點(diǎn)多,。比如這個花打印出來，初始狀態(tài)是張開的狀態(tài),，當(dāng)你加熱變軟了卷起來之后,，把力撤掉了就變成了這樣一個花。當(dāng)你再加熱超過轉(zhuǎn)化溫度了,，就會變成初始狀態(tài),，也就是這個花會開。這個初始狀態(tài)和中間狀態(tài),，和最初狀態(tài)都是硬的,，什么時候軟的呢？變形的時候是軟的。
   
（PPT圖示）這是它的變剛特性,，這個材料低于轉(zhuǎn)變溫度下很硬,，高于這個狀態(tài)是橡膠態(tài)，是軟的,。當(dāng)材料低于轉(zhuǎn)變溫度情況下很硬,，是一個硬材料，它的彈性量很高,，變形很小,，當(dāng)你加溫這個材料會變得很軟，會變成軟材料,，也就是說這個材料的軟硬能隨著外界的溫度或者熱磁光電相變成,，也就是這個材料能變形和變軟硬、剛度,。
   
有了這個聚合物可以做成復(fù)合材料,，一個是加上碳纖維，加上不同的增強(qiáng)顆粒,，可以提高它的力學(xué)強(qiáng)度,。第二是加不同的導(dǎo)電顆粒、導(dǎo)磁顆粒等等就可以讓它變形,。我們學(xué)校從06年開始做形狀記憶聚合物,，這一切都是熱固性的，轉(zhuǎn)變溫度比較高,，最高300度,，意味著不加熱到300度不會變形，加熱到300度會變形,，這些都是熱塑性的,。
   
（PPT圖示）有了聚合物可以做很多東西，有了聚合物可以做成復(fù)合材料,，也可以做成泡沫,，這是我們做的泡沫，初始狀態(tài)3厘米,，加熱變軟了壓一個小餅,，這時候把熱力去掉熱力不會開，再加熱會回到原來3厘米的狀態(tài),�,？梢杂泻芏喾椒▉眚�(qū)動，最簡單的是電驅(qū)動,，這個方向我們發(fā)了很多文章,。我們可以用短纖維,、碳纖維、鎳粉,、碳納米管都可以,，因?yàn)閷?dǎo)電就會變熱，就可以驅(qū)動,，可以加磁,、微光、溶液,，也可以用液體控制材料值,，來讓它變形。放在磁場里面它自己變形,，放在熱里面也會變形,，放到光也可以變形。我們可以單個激勵它,，也可以組合激勵它,。這里有三片東西，黑白黑,，加磁場的時候只有黑的變,，我加射頻的時候下面的變形,，我加熱的時候中間會變形,，可以控制不同的激勵讓它變形，選擇性激勵它,。 也可以做成自修復(fù)材料,，比如這個材料有一個裂紋，一加熱裂紋消失了,，就像人為什么能皮膚愈合,，因?yàn)橛醒�小板。我們這個材料除了能變形還可以修復(fù),。
   
未來的空間結(jié)構(gòu),，這個材料本身狀態(tài)是硬的，鎖住的,，當(dāng)加熱會變軟,，會打開，所以用它可以展開太陽能的帆板,。我們做了實(shí)驗(yàn),，太陽能的帆板，門板靠材料打開,，就是太陽能帆板,。06年17號衛(wèi)星做過驗(yàn)證，后續(xù)還會做其他驗(yàn)證。未來太陽能電池我們希望是軟的,，硬的太大,，不好折疊�,？墒擒浀囊灿袉栴},，剛度小，能夠折疊,，硬的可以折疊,，怎么辦呢？我們用這個材料把太陽能光磁板放在上面,。比如初始狀態(tài)把太陽能材料鎖緊,，一加熱可以張開。這個講法是08年奧運(yùn)會張藝謀做的那個畫而來的,。你也可以展開太陽能反射鏡,，空間結(jié)構(gòu)用它都可以展開，加熱,、變形,、展開、剛化,。也可以做一些鎖緊機(jī)構(gòu),，就像我的手，兩個手靠在一塊,，一加熱鉤子變平了,，直了，就可以打開,，這是一個小衛(wèi)星,，勾住它就開不了，你想讓它開的時候加熱直了彈簧就可以彈開,，所以可以做鎖緊釋放機(jī)構(gòu),。比如兩個手扣在一塊打不開，一加熱就可以打開,。
   
中國2020年會發(fā)火星探測器,，飛7個月到火星。我們希望給火星安一個轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu),，加熱會打開,，上面安一個相機(jī)，照自己,，俗話說我們給火星探測器安一個自拍桿,，是用材料變形伸出一個桿,。
   
未來還可以做模具制造，這是一個復(fù)合材料纏繞的機(jī)構(gòu),，兩邊細(xì)中間粗,，材料怎么拿出來？傳統(tǒng)方法把水溶性石膏熔化了,，我們這個方法是加熱變細(xì)了就可以拿出來,，就是變形的心膜。我們做了模具以后一加熱,，變細(xì)了,、軟了就可以拿出來，越飛機(jī)的心膜越合適,，能變軟也可以變小,。我們用這個材料還可以做骨膜，這個材料可以加熱變軟,，可以訓(xùn)練,，當(dāng)你動完之后把熱去掉它又固定住了，加熱變軟了手指頭一扣就鎖住了,，等到了醫(yī)生那里再加熱就可以打開了,，可以打印，做骨折固定裝置,。
   
（PPT圖示）這是我們學(xué)生做的,，是一個衣服，濕度很敏感,，濕度一敏感就會開一個小口,，你就會感到?jīng)隹炝�,，你可以做衣服,，也可以做空調(diào)，做百葉窗,。
   
下面介紹一下4D打印,，實(shí)際上4D打印是3D打印的延伸，增加了一個緯度,，1D,、2D、3D,，4D就是立體的,，什么是4D呢？4D就是加了一個時間緯度,，根據(jù)時間能夠改變形狀,、改變特性,、改變軟硬、改變顏色,，這都叫一維,，我都叫4D，打印之后這個東西能變形,。比如衣服,，女士的裙子，4D打印之后可以控制形狀的變化,，就不會產(chǎn)生撞衫,。4D是動的，可以變形,，用什么材料變形可以選擇,。打印方法有很多，各位老師都知道,，有熔融的,、立體光刻的，包括激光紙寫的,，這些方法都可以做成4D打印,。
   
我們學(xué)校最近這幾年做了很多打印的線，跟3D打印線直徑一樣,，不一樣的是我們打完這個線能夠變形,。比如可以用熱控制它、電控制它,、磁控制它,，不同的打印機(jī)都可以控制，不同的激勵方式讓它變形,。這是很便宜的幾千塊錢的熔融機(jī),，加熱就可以變形，當(dāng)然你可以通過電變形,，也可以加磁場控制它變形,。
   
（PPT圖示）這是打印一個橋，一加熱展開了就是一個橋,，打什么都可以,。
   
（PPT圖示）這是鳥巢，但光看這個不知道是什么東西,，所以靠形狀識別物體的時代要過去了,，因?yàn)樾螤顣�變化�?br />    
未來心臟血管支架也可以用這個方法來打印，打印之后可以讓它張開,，在磁場作用下可以張開,。跟其他心臟支架相比不一樣,，可以降解，可以控制6—8個月讓它降解,。高分子復(fù)合材料有一個特點(diǎn),，可以控制它降解的速度，醫(yī)學(xué)研究表明,，心血管支架在人體里面6—7個月之后就不需要了,，因?yàn)檫@個血管長好了�,？墒墙饘僦Ъ懿坏�拿不出��,，降解困難，而且長時間還要離子吸儲,，還要再長斑塊,。所以我們現(xiàn)在做的這種支架能夠控制磁場，能吸收,，可以控制降解時間,。我們可以控制打印一個支架，加熱,，通過磁場可以開開,，6—7個月可以降解。
   
（PPT圖示）這是我們做的心臟封堵器,。我們現(xiàn)在做的這個可以控制它的降解時間,，因?yàn)樾『㈤L的過程中金屬膜跟心臟不能一起長，所以非常痛苦,。也可以做靶向治療,，比如我有一個藥丸，里面有一些膠囊,，我們定點(diǎn)精準(zhǔn)的釋放,，包括用泡沫也可以。比如癌癥細(xì)胞,，我們靠泡沫變形可以擠壓癌細(xì)胞,，或者代謝藥物在上面做釋放,，特點(diǎn)一個是能降解,，一個是可以定點(diǎn)靶向治療。我們可以編程做一個結(jié)構(gòu),，你可以做一個小盒子自己列出來,，可編程、可重構(gòu),。也可以打印一些折紙結(jié)構(gòu),。還可以打一些天線,，我們用折紙結(jié)構(gòu)也可以打天線，打完之后這個天線是硬的,，加熱,、加磁場它就會打開。

智能材料變形結(jié)構(gòu)未來會融入我們的生活,，從汽車到飛機(jī),，從微米到納米，小尺寸的也可以變,，大尺寸的也可以,。
   
（PPT圖示）左邊這個錄像是寶馬公司的變形汽車概念圖，現(xiàn)在它們也在跟我們合作,，希望我們給它做變形概念車,。這是變形飛機(jī)。我們希望未來智能變形結(jié)構(gòu),，當(dāng)然不一定非要增材制造,，不一定需要打印，但是有的特殊結(jié)構(gòu),，定制化的需要打印,，這個未來會無處不在。
   
智能材料受到高度重視,，我們國家從《中長期科技發(fā)展規(guī)劃綱要》,、《2025》以及《“十三五”產(chǎn)業(yè)發(fā)展指南》都列入了智能材料。
   
樵夫難為無米之炊,，智能材料未來能監(jiān)測,、自修復(fù)、自適應(yīng),，是智能自主系統(tǒng)的重要物質(zhì)基礎(chǔ),。未來智能材料與信息處理、控制等融合,，形成具有自主管理,、自主執(zhí)行任務(wù)的智能自主系統(tǒng)。形狀記憶的聚合物復(fù)合材料及其4D打印結(jié)構(gòu),，將廣泛應(yīng)用于航天,、航空、生物醫(yī)療,、汽車,，包括柔性電子，包括手機(jī),，因?yàn)槭謾C(jī)目前已經(jīng)出現(xiàn)0.8毫米的了,，谷歌和西門子都出軟手機(jī)了,，手機(jī)軟不是目的，因?yàn)樘�軟了你也不能控制��,，我們的想法是能控制它,，能讓它自己開，太軟也不行,，不能承載,。所以我們希望未來的材料第一能控制變形，第二是剛?cè)峒娌�,，軟硬兼施,，都能做到�?br />    
由于時間關(guān)系，我的匯報(bào)就是這些,，謝謝各位,。