冷勁松：《形狀記憶聚合物材料及其4D打印：機(jī)遇、挑戰(zhàn)及應(yīng)用》

國際復(fù)合材料委員會(huì)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(huì)以及工信部領(lǐng)導(dǎo)的邀請，來做這個(gè)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(gè)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(dòng)變形的材料，除了有母體材料、傳感信息材料還有驅(qū)動(dòng)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(dòng)器對(duì)它進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，同時(shí)融合信息控制。實(shí)際上智能材料和結(jié)構(gòu)，是一個(gè)智能自主系統(tǒng)，里面包括傳感器、驅(qū)動(dòng)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(gè)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(dòng)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(gè)材料變得很軟，你可以加外力，這個(gè)狀態(tài)加不了外力，它是硬的。加了外力之后變成這個(gè)材料，這個(gè)材料就固定住了，當(dāng)你再加熱之后這個(gè)材料恢復(fù)到初始狀態(tài)。所以這個(gè)材料有兩個(gè)特點(diǎn)，一個(gè)是變形，從這個(gè)材料恢復(fù)到這個(gè)材料，恢復(fù)率99%點(diǎn)多。比如這個(gè)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(gè)花。當(dāng)你再加熱超過轉(zhuǎn)化溫度了，就會(huì)變成初始狀態(tài)，也就是這個(gè)花會(huì)開。這個(gè)初始狀態(tài)和中間狀態(tài)，和最初狀態(tài)都是硬的，什么時(shí)候軟的呢？變形的時(shí)候是軟的。
   
（PPT圖示）這是它的變剛特性，這個(gè)材料低于轉(zhuǎn)變溫度下很硬，高于這個(gè)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(gè)硬材料，它的彈性量很高，變形很小，當(dāng)你加溫這個(gè)材料會(huì)變得很軟，會(huì)變成軟材料，也就是說這個(gè)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(gè)材料能變形和變軟硬、剛度。
   
有了這個(gè)聚合物可以做成復(fù)合材料，一個(gè)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(huì)變形，加熱到300度會(huì)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(gè)小餅，這時(shí)候把熱力去掉熱力不會(huì)開，再加熱會(huì)回到原來3厘米的狀態(tài)�？梢杂泻芏喾椒▉眚�(qū)動(dòng)，最簡單的是電驅(qū)動(dòng)，這個(gè)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(huì)變熱，就可以驅(qū)動(dòng)，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(huì)變形，放到光也可以變形。我們可以單個(gè)激勵(lì)它，也可以組合激勵(lì)它。這里有三片東西，黑白黑，加磁場的時(shí)候只有黑的變，我加射頻的時(shí)候下面的變形，我加熱的時(shí)候中間會(huì)變形，可以控制不同的激勵(lì)讓它變形，選擇性激勵(lì)它。 也可以做成自修復(fù)材料，比如這個(gè)材料有一個(gè)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(gè)材料除了能變形還可以修復(fù)。
   
未來的空間結(jié)構(gòu)，這個(gè)材料本身狀態(tài)是硬的，鎖住的，當(dāng)加熱會(huì)變軟，會(huì)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(hào)衛(wèi)星做過驗(yàn)證，后續(xù)還會(huì)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(gè)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(gè)講法是08年奧運(yùn)會(huì)張藝謀做的那個(gè)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(gè)手靠在一塊，一加熱鉤子變平了，直了，就可以打開，這是一個(gè)小衛(wèi)星，勾住它就開不了，你想讓它開的時(shí)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(gè)手扣在一塊打不開，一加熱就可以打開。
   
中國2020年會(huì)發(fā)火星探測器，飛7個(gè)月到火星。我們希望給火星安一個(gè)轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，加熱會(huì)打開，上面安一個(gè)相機(jī)，照自己，俗話說我們給火星探測器安一個(gè)自拍桿，是用材料變形伸出一個(gè)桿。
   
未來還可以做模具制造，這是一個(gè)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(gè)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(gè)材料還可以做骨膜，這個(gè)材料可以加熱變軟，可以訓(xùn)練，當(dāng)你動(dòng)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(gè)衣服，濕度很敏感，濕度一敏感就會(huì)開一個(gè)小口，你就會(huì)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(gè)緯度，1D、2D、3D，4D就是立體的，什么是4D呢？4D就是加了一個(gè)時(shí)間緯度，根據(jù)時(shí)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(gè)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(huì)產(chǎn)生撞衫。4D是動(dòng)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(gè)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(lì)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(gè)橋，一加熱展開了就是一個(gè)橋，打什么都可以。
   
（PPT圖示）這是鳥巢，但光看這個(gè)不知道是什么東西，所以靠形狀識(shí)別物體的時(shí)代要過去了，因?yàn)樾螤顣?huì)變化。
   
未來心臟血管支架也可以用這個(gè)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(gè)月讓它降解。高分子復(fù)合材料有一個(gè)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(gè)月之后就不需要了，因?yàn)檫@個(gè)血管長好了�？墒墙饘僦Ъ懿坏�拿不出來，降解困難，而且長時(shí)間還要離子吸儲(chǔ)，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(shí)間。我們可以控制打印一個(gè)支架，加熱，通過磁場可以開開，6—7個(gè)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(gè)可以控制它的降解時(shí)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(gè)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(gè)是能降解，一個(gè)是可以定點(diǎn)靶向治療。我們可以編程做一個(gè)結(jié)構(gòu)，你可以做一個(gè)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(gè)天線是硬的，加熱、加磁場它就會(huì)打開。

智能材料變形結(jié)構(gòu)未來會(huì)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(gè)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(gè)未來會(huì)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�軟了你也不能控制它，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(shí)間關(guān)系，我的匯報(bào)就是這些，謝謝各位。