《Composites Communications》：Interlayer engineering of shape memory phthalonitrile based composites via PTFE decoupling and aerogel functionalization
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形状记忆聚合物碳纤维复合材料通过PTFE中间层策略实现层间解耦，显著提升弯曲应变至2.9%。引入形状记忆气凝胶后，材料热导率降至104 mW/m·K，在压缩状态下经丙烷火焰600秒暴露后仍保持300℃以下温度。该策略同时优化了材料机械性能与变形适应性。
胡荣祥|张凤华|刘彦茹|冷金松
哈尔滨工业大学复合材料与结构研究中心，哈尔滨，150080，中华人民共和国
摘要
形状记忆聚合物（SMPs）是一种对外界刺激具有响应性的智能材料，在工程应用中具有巨大潜力。纤维增强型SMP复合材料（SMPCs）被广泛用于在保持形状记忆性能的同时提升机械性能。然而，尽管多层纤维织物增强的SMPC层压板具有更高的机械强度，但在形状记忆过程中的变形往往受到相邻层之间界面限制的影响。本研究开发了一种聚四氟乙烯（PTFE）中间层策略来解耦相邻的SMPC层，并制备了PTFE中间层碳纤维增强型形状记忆苯二甲腈层压复合材料（SMPN-LC）。机械测试表明，在20%的层间粘合面积下，SMPN-LC的拉伸强度为307 MPa，弯曲强度为426 MPa。在相同的粘合面积下，当长宽比从6:1减小到2:1时，SMPN-LC的弯曲应变从1.8%增加到2.9%，这归因于PTFE诱导的层间解耦区域的增加。SMPN-LC表现出层状形状记忆行为，并能变形为一种临时锚钩结构，能够悬挂500克的重量。通过将形状记忆苯二甲腈气凝胶（SMPNA）引入SMPN-LC制备SMPN-LAC，其热导率降至104 mW/m·K，具有良好的隔热性能。在压缩的临时形状下，SMPN-LAC内的SMPNA中间层逐渐恢复，形成逐层热屏障，在丁烷火焰暴露600秒后仍能将另一侧的温度保持在约300°C。这种中间层策略赋予了SMPN-LAC良好的隔热性能和形状记忆性能，拓宽了SMPCs的应用范围。
引言
形状记忆聚合物（SMPs）是一类智能材料，能够在热、光和电场等外部刺激下从临时形状恢复到原始形状[[1], [2], [3], [4], [5]]。得益于其低密度、大的可逆应变和易于加工的特性，SMPs在软体机器人、生物医学工程、航空航天等新兴领域引起了广泛关注[[6], [7], [8], [9], [10], [11], [12]]。然而，原始的SMPs通常具有较低的机械强度和有限的恢复力，这限制了它们的应用。
将增强相引入SMPs以制备SMP复合材料（SMPCs）是提高其机械性能的有效策略。短纤维、连续纤维/织物和颗粒填料等增强材料使SMPCs能够保持形状记忆性能并扩展其功能应用[[13], [14], [15], [16], [17]]。在各种增强材料中，碳纤维（CF）因其高比强度、高比模量和优异的耐热性而被广泛用于先进的SMPCs[[18], [19], [20]]。CF增强的SMPCs能够在低质量下提供高机械强度，使其适用于轻量化驱动系统。曾等人[21]开发了一种基于形状记忆氰酸酯的CF增强SMPC层压板，该层压板具有优异的环境稳定性和承载能力，可用于空间可部署的锁定和释放装置。李等人[22]用CF增强了基于双马来酰亚胺的SMPC，提高了其强度和刚性，使其能够抓取自重29.8倍的负载。这些研究表明SMPCs在先进应用中具有巨大潜力。
在CF增强复合材料中，单向CF和斜纹编织CF织物被广泛用作增强材料[[23], [24], [25], [26]]。由于经纱和纬纱的交错结构，斜纹织物通常具有更平衡的平面内性能，工程中常用多层织物层压板来实现更均匀的性能。在基于传统树脂的复合材料中，多层织物层压板显著提高了机械性能。然而，在SMPC中，多层织物层压板由于相邻层之间的界面限制，常常限制了其形状记忆过程中的变形。此外，CF增强复合材料通常只表现出单一的形状记忆模式，这限制了它们在其他功能应用中的使用。
在本研究中，开发了一种聚四氟乙烯（PTFE）中间层策略来解耦相邻的SMPC层。制备了CF增强型形状记忆苯二甲腈复合材料（SMPNC），并引入PTFE中间层得到层压复合材料SMPN-LC。研究了层间粘合面积对SMPN-LC机械性能的影响。随着层间粘合长度的减小，PTFE诱导的解耦区域增加，导致弯曲应变增大。通过层间解耦，SMPN-LC表现出层状形状记忆行为，从而提高了SMPC的变形适应性。此外，将形状记忆苯二甲腈气凝胶（SMPNA）引入SMPN-LC制备SMPN-LAC，降低了复合材料的热导率，实现了良好的隔热性能。SMPNA的形状记忆行为使SMPN-LAC能够在压缩的临时形状下逐渐恢复，并在丁烷火焰暴露下形成逐层热屏障，从而表现出良好的热保护性能。本研究为先进SMPCs的功能应用提供了新的见解。
材料
苯二甲腈单体、封端试剂和SMPNA是在我们实验室按照之前研究中的程序制备的[27,28]。N,N-二甲基甲酰胺（DMF）和双[4-(3-氨基苯氧基)苯]砜（m-BAPS）从Aladdin公司购买。T300型斜纹碳纤维来自Toray Industries。PTFE涂层的玻璃纤维织物（特氟龙织物）从Zhendang复合材料公司购买。
复合材料的制备
SMPNC预浸料的制备。含有芳香醚酮的单体...
SMPN-LC的界面表征
图1b展示了中间层复合材料的制备过程，图1c显示了SMPN-LC的中间层结构示意图。填充PTFE层切出区域的SMPN预聚物在加热后固化，从而将相邻的SMPNC层粘合成一个整体层压板。中心粘合区域确保了SMPN-LC的结构完整性并提供强度支撑，而PTFE覆盖的区域形成了具有降低层间...
结论
本研究开发了一种PTFE中间层策略来解耦相邻的SMPNC层，从而提高了SMPN-LC的弯曲变形能力。机械测试表明，层间粘合面积对SMPN-LC的拉伸模量影响不大。采用±45°和0/90° CF的交替层叠方式，拉伸模量稳定在约60 GPa。拉伸强度强烈依赖于层间粘合面积，随着...
作者贡献声明
胡荣祥：研究、撰写——初稿。张凤华：资金获取、撰写——审阅与编辑。刘彦茹：资金获取。冷金松：资源支持、监督。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（资助编号：92271112和92271206）的财政支持。
