形状记忆聚合物在屈曲诱导三维微结构中的新型力学设计、分析及应用

The controlled buckling-guided 3D microstructures assembly has attracted growing interests in both scientific and engineering research communities due to its promising potential in a broad range of applications. Unfortunately, this method is constrained by shape changing and isolation of 3D microstructures after buckling. To make up these deficiency, a strategy is introduced to explore the possibility of shape memory polymer on buckling-guided 3D microstructures assembly, which relies on their shape memory and recovery properties. To capture the mechanical behaviors of shape memory polymer with large deformation, a new constitutive model will be proposed firstly. And the post-buckling behaviors will also be developed to indicate the influences of geometries, environmental conditions and material properties on critical buckling strain, buckling modes and post-buckling behaviors of shape memory polymer laminates. The shape changing and isolation of buckling-guided 3D microstructure are investigated, and some illustrative microstructures are fabricated after the processes of design, optimization and finite-element analyses (FEA). In the end, some suggestions are concluded to guide the future applications of shape memory polymer on buckling-guided 3D microstructures assembly.

屈曲诱导三维微结构组装方法作为一种新兴的三维微纳米结构制备工艺，具有广阔的应用前景。目前该方法在实际应用过程中存在组装后的三维微结构再变形困难以及三维微结构无法独立于基体单独存在等问题。基于此，本课题拟开展形状记忆聚合物在屈曲诱导三维微结构中的新型力学设计、分析及应用研究，利用其形状记忆效应及高温回复特性，完善屈曲诱导三维微结构组装方法，建立能够准确描述形状记忆聚合物大变形力学行为的理论模型，研究形状记忆聚合物复合材料的屈曲力学行为，分析其临界屈曲载荷、屈曲模态以及后屈曲变形模式受几何、环境、材料等条件的影响规律，并以此为基础开展三维微结构驱动变形、无基体固形的设计、仿真、试验研究工作，最终形成一套形状记忆聚合物用于屈曲诱导三维微结构组装方法的设计指导方案。

本项目通过将形状记忆聚合物引入屈曲诱导三维结构组装方法研究中，利用其形状记忆特性实现了三维结构脱离基体的独立固形及成型后三维结构的再驱动设计，建立了描述异质材料屈曲大变形的力学理论模型，实现了对结构屈曲变形的精确预测，拓展了三维结构的设计空间，提升了其实际应用价值，同时本项目建立的力学理论模型，完成了具有特异热变形特性的异质材料超结构的力学设计及试验验证。在自然基金委支持下，本项目主要开展了基于形状记忆聚合物三维结构固形研究，基于形状记忆聚合物三维结构再变形研究，复杂三维微结构的组装策略研究，具有特异热致变形能力的二维超结构的理论及设计方法研究，以及具有极大热膨胀变形特性超结构的理论及设计方法研究等五项研究工作。解决了当前屈曲组装方法中存在成型后三维结构无法脱离于基体独立固形以及无法实现结构再驱动变形的科学及工程难题；同时提出并设计了两种具有特异热变形特性的超结构，不仅实现了超结构等效热膨胀系数数量级的提升，同时超结构具备独特的热致变形能力（热致单向收缩、热致剪切变形、热致弯曲变形等），极大拓展了具备特异热膨胀特性超结构的许可应用范围。通过本项目研究，取得重要结果包括：（I）基于SMP的三维结构，脱离于基体后结构形状固定率接近100%，受压变形卸载后能够100%回复；（II）超材料双向CTE调控区间为-5950ppm/K至10710ppm/K，单向CTE调控区间为-11550ppm/K至26110ppm/K，是目前已知的最优测试结果。通过本研究，建立的描述异质材料的大变形力学行为的理论模型及变形预测方法（触发机制包括预拉伸形状记忆聚合物回复/不同聚合物材料在升温条件下的热变形失配等），能够有效预测临界屈曲载荷及后屈曲构型随几何尺寸、材料参数以及环境温度的变化关系，对于完善异质材料屈曲大变形理论具有重要科学意义；同时建立的形状记忆聚合物用于屈曲诱导三维微结构组装方法的设计指导方案及独立固形方法实现，完成模型的快速、有效的设计及优化，解决了屈曲诱导三维结构独立固形及再驱动这一关键科学问题。