冷劲松：《形状记忆聚合物材料及其4D打印：机遇、挑战及应用》

国际复合材料委员会副主席、欧洲科学与艺术院院士、长江学者教授冷劲松：《形状记忆聚合物材料及其4D打印：机遇、挑战及应用》主题演讲。

冷劲松：非常感谢组委会以及工信部领导的邀请，来做这个报告，我是哈尔滨工业大学冷劲松。
   我给大家汇报的题目是形状记忆聚合物材料及其4D打印。跟前面几位老师院士不一样，我们这个材料是能变形的材料。
   
首先汇报一下智能材料。什么是智能材料？智能料是指能够对外界环境响应并且主动变形的材料，除了有母体材料、传感信息材料还有驱动材料，也就是说环境变化传感器能够对它进行感知，有驱动器对它进行驱动，同时融合信息控制。实际上智能材料和结构，是一个智能自主系统，里面包括传感器、驱动器，还包括人工智能信息处理系统，当然母体材料什么材料都可以。
   
我的汇报分三个部分：第一部分是形状记忆聚合物及其应用，第二部分是4D打印，第三部分是展望。
   
形状记忆聚合物，它跟金属不一样，是一种高分子材料，它是一种能变形的智能材料，是驱动材料。
   
（PPT图示）这是它的原理，初始状态它是直的，当你加热超过转变温度情况下这个材料变得很软，你可以加外力，这个状态加不了外力，它是硬的。加了外力之后变成这个材料，这个材料就固定住了，当你再加热之后这个材料恢复到初始状态。所以这个材料有两个特点，一个是变形，从这个材料恢复到这个材料，恢复率99%点多。比如这个花打印出来，初始状态是张开的状态，当你加热变软了卷起来之后，把力撤掉了就变成了这样一个花。当你再加热超过转化温度了，就会变成初始状态，也就是这个花会开。这个初始状态和中间状态，和最初状态都是硬的，什么时候软的呢？变形的时候是软的。
   
（PPT图示）这是它的变刚特性，这个材料低于转变温度下很硬，高于这个状态是橡胶态，是软的。当材料低于转变温度情况下很硬，是一个硬材料，它的弹性量很高，变形很小，当你加温这个材料会变得很软，会变成软材料，也就是说这个材料的软硬能随着外界的温度或者热磁光电相变成，也就是这个材料能变形和变软硬、刚度。
   
有了这个聚合物可以做成复合材料，一个是加上碳纤维，加上不同的增强颗粒，可以提高它的力学强度。第二是加不同的导电颗粒、导磁颗粒等等就可以让它变形。我们学校从06年开始做形状记忆聚合物，这一切都是热固性的，转变温度比较高，最高300度，意味着不加热到300度不会变形，加热到300度会变形，这些都是热塑性的。
   
（PPT图示）有了聚合物可以做很多东西，有了聚合物可以做成复合材料，也可以做成泡沫，这是我们做的泡沫，初始状态3厘米，加热变软了压一个小饼，这时候把热力去掉热力不会开，再加热会回到原来3厘米的状态。可以有很多方法来驱动，最简单的是电驱动，这个方向我们发了很多文章。我们可以用短纤维、碳纤维、镍粉、碳纳米管都可以，因为导电就会变热，就可以驱动，可以加磁、微光、溶液，也可以用液体控制材料值，来让它变形。放在磁场里面它自己变形，放在热里面也会变形，放到光也可以变形。我们可以单个激励它，也可以组合激励它。这里有三片东西，黑白黑，加磁场的时候只有黑的变，我加射频的时候下面的变形，我加热的时候中间会变形，可以控制不同的激励让它变形，选择性激励它。 也可以做成自修复材料，比如这个材料有一个裂纹，一加热裂纹消失了，就像人为什么能皮肤愈合，因为有血小板。我们这个材料除了能变形还可以修复。
   
未来的空间结构，这个材料本身状态是硬的，锁住的，当加热会变软，会打开，所以用它可以展开太阳能的帆板。我们做了实验，太阳能的帆板，门板靠材料打开，就是太阳能帆板。06年17号卫星做过验证，后续还会做其他验证。未来太阳能电池我们希望是软的，硬的太大，不好折叠。可是软的也有问题，刚度小，能够折叠，硬的可以折叠，怎么办呢？我们用这个材料把太阳能光磁板放在上面。比如初始状态把太阳能材料锁紧，一加热可以张开。这个讲法是08年奥运会张艺谋做的那个画而来的。你也可以展开太阳能反射镜，空间结构用它都可以展开，加热、变形、展开、刚化。也可以做一些锁紧机构，就像我的手，两个手靠在一块，一加热钩子变平了，直了，就可以打开，这是一个小卫星，勾住它就开不了，你想让它开的时候加热直了弹簧就可以弹开，所以可以做锁紧释放机构。比如两个手扣在一块打不开，一加热就可以打开。
   
中国2020年会发火星探测器，飞7个月到火星。我们希望给火星安一个转体结构，加热会打开，上面安一个相机，照自己，俗话说我们给火星探测器安一个自拍杆，是用材料变形伸出一个杆。
   
未来还可以做模具制造，这是一个复合材料缠绕的机构，两边细中间粗，材料怎么拿出来？传统方法把水溶性石膏熔化了，我们这个方法是加热变细了就可以拿出来，就是变形的心膜。我们做了模具以后一加热，变细了、软了就可以拿出来，越飞机的心膜越合适，能变软也可以变小。我们用这个材料还可以做骨膜，这个材料可以加热变软，可以训练，当你动完之后把热去掉它又固定住了，加热变软了手指头一扣就锁住了，等到了医生那里再加热就可以打开了，可以打印，做骨折固定装置。
   
（PPT图示）这是我们学生做的，是一个衣服，湿度很敏感，湿度一敏感就会开一个小口，你就会感到凉快了，你可以做衣服，也可以做空调，做百叶窗。
   
下面介绍一下4D打印，实际上4D打印是3D打印的延伸，增加了一个纬度，1D、2D、3D，4D就是立体的，什么是4D呢？4D就是加了一个时间纬度，根据时间能够改变形状、改变特性、改变软硬、改变颜色，这都叫一维，我都叫4D，打印之后这个东西能变形。比如衣服，女士的裙子，4D打印之后可以控制形状的变化，就不会产生撞衫。4D是动的，可以变形，用什么材料变形可以选择。打印方法有很多，各位老师都知道，有熔融的、立体光刻的，包括激光纸写的，这些方法都可以做成4D打印。
   
我们学校最近这几年做了很多打印的线，跟3D打印线直径一样，不一样的是我们打完这个线能够变形。比如可以用热控制它、电控制它、磁控制它，不同的打印机都可以控制，不同的激励方式让它变形。这是很便宜的几千块钱的熔融机，加热就可以变形，当然你可以通过电变形，也可以加磁场控制它变形。
   
（PPT图示）这是打印一个桥，一加热展开了就是一个桥，打什么都可以。
   
（PPT图示）这是鸟巢，但光看这个不知道是什么东西，所以靠形状识别物体的时代要过去了，因为形状会变化。
   
未来心脏血管支架也可以用这个方法来打印，打印之后可以让它张开，在磁场作用下可以张开。跟其他心脏支架相比不一样，可以降解，可以控制6—8个月让它降解。高分子复合材料有一个特点，可以控制它降解的速度，医学研究表明，心血管支架在人体里面6—7个月之后就不需要了，因为这个血管长好了。可是金属支架不但拿不出来，降解困难，而且长时间还要离子吸储，还要再长斑块。所以我们现在做的这种支架能够控制磁场，能吸收，可以控制降解时间。我们可以控制打印一个支架，加热，通过磁场可以开开，6—7个月可以降解。
   
（PPT图示）这是我们做的心脏封堵器。我们现在做的这个可以控制它的降解时间，因为小孩长的过程中金属膜跟心脏不能一起长，所以非常痛苦。也可以做靶向治疗，比如我有一个药丸，里面有一些胶囊，我们定点精准的释放，包括用泡沫也可以。比如癌症细胞，我们靠泡沫变形可以挤压癌细胞，或者代谢药物在上面做释放，特点一个是能降解，一个是可以定点靶向治疗。我们可以编程做一个结构，你可以做一个小盒子自己列出来，可编程、可重构。也可以打印一些折纸结构。还可以打一些天线，我们用折纸结构也可以打天线，打完之后这个天线是硬的，加热、加磁场它就会打开。

智能材料变形结构未来会融入我们的生活，从汽车到飞机，从微米到纳米，小尺寸的也可以变，大尺寸的也可以。
   
（PPT图示）左边这个录像是宝马公司的变形汽车概念图，现在它们也在跟我们合作，希望我们给它做变形概念车。这是变形飞机。我们希望未来智能变形结构，当然不一定非要增材制造，不一定需要打印，但是有的特殊结构，定制化的需要打印，这个未来会无处不在。
   
智能材料受到高度重视，我们国家从《中长期科技发展规划纲要》、《2025》以及《“十三五”产业发展指南》都列入了智能材料。
   
樵夫难为无米之炊，智能材料未来能监测、自修复、自适应，是智能自主系统的重要物质基础。未来智能材料与信息处理、控制等融合，形成具有自主管理、自主执行任务的智能自主系统。形状记忆的聚合物复合材料及其4D打印结构，将广泛应用于航天、航空、生物医疗、汽车，包括柔性电子，包括手机，因为手机目前已经出现0.8毫米的了，谷歌和西门子都出软手机了，手机软不是目的，因为太软了你也不能控制它，我们的想法是能控制它，能让它自己开，太软也不行，不能承载。所以我们希望未来的材料第一能控制变形，第二是刚柔兼并，软硬兼施，都能做到。
   
由于时间关系，我的汇报就是这些，谢谢各位。