电热华南章圆朱晓综述方方法与牛理工理工料阳P应用材料软材激活机理青岛

【科学背景】

智能材料能够在外部激励（热、华南光、理工料机理方料牛磁等）作用下表现出自主变形、章圆综述形状记忆、青法刚度变化、岛理电热颜色变化等响应行为。工朱其中，晓阳智能软材料由于具有质量轻、激活变形大、软材性能可调等优点而成为近年来的用材研究热点。采用适宜的华南激活技术对实现智能软材料的工程化应用至关重要。电热激活软材料（EASMs），理工料机理方料牛通过整合智能软材料和电热激活技术来定制各种功能，章圆综述具有能效高、青法设计灵活、岛理电热适用范围广、设备依赖度低等优点，已成功应用于航空航天，并在软体机器人、生物医疗、人机交互和智能家居等前沿领域有着广阔的应用前景。

【创新成果】

近年来，针对EASMs性能提升、功能开发、理论建模和精准成形的研究已经取得了一定的进展。然而，如何通过丰富的材料库、多场耦合模型和一体化制造技术实现性能协同、多功能集成的EASMs或EASM器件及其工程化应用仍有待深入探索。鉴于此，华南理工大学章圆方副教授团队联合青岛理工大学兰红波教授/朱晓阳教授团队，在材料科学领域顶级期刊Progress in Materials Science（IF：33.6）发表了题为“Electrothermally activated soft materials: Mechanisms, methods and applications”的长篇综述论文，从材料科学、应用物理和先进制造等多学科视角分析了EASMs的挑战与未来方向，以期促进学科交叉融合，最终推动EASMs在更多领域的工程化应用。

【数据概览】

图1 论文总体框架

首先，论文分析了面向EASMs的电热激活技术在航空航天、智能电子、人机交互等前沿领域的工程需求及相对其他竞争技术（包括气压、电场、光场、磁场驱动等）的优势（图2）。进而建立了EASMs材料库，包括形状记忆聚合物（SMP，图3）、液晶弹性体（LCE，图4）、低熔点合金（LMPA，图5）、液气相变材料（LVPCM，图6）和其他热胀材料，系统地阐述了上述EASMs的激活机制、独特性能与功能并给出了选材原则（图2b）。

图2 面向EASMs的电热激活技术工程需求及优势

图3 SMP的性能及功能（）

图4 LCE的性能及功能

图5 LMPA的性能及功能

图6 LVPCM的类型及致动特点

其次，重点讨论了电加热器件的设计问题。电加热器件在智能软材料中的集成形式分为导电填料、导电薄膜和加热电路三种类型（图7），从功耗角度对比了这三类电加热器件的加热性能（图8），从电-热-力多场耦合的角度阐述了面向EASMs理论模型的发展与挑战，从结构设计角度讨论了加热电路结构-性能（加热、力学性能）间的关系。

图7 电加热器件在智能软材料中的三类集成形式

图8 三类电加热器件的加热性能

随后，系统地总结了集成各类电加热器件的EASMs制造技术及其基本原理、特点与局限（表1）。综述了EASMs在航空航天、生物医疗、软体机器人和人机交互等九大领域的应用前景。

表1 面向三类电加热器件的EASMs制造技术及其基本原理、特点与局限

最后，指出了EASMs的挑战，包括低电压快速激活、多物理场精准调控及形/性一体化制造技术等方面，针对上述挑战提出了相应的解决思路或建议方案；并展望了EASMs从材料到器件再到系统的发展路线，涵盖多学科交叉研究、概念突破和需求牵引型创新（图9）。

图9 EASMs发展路线展望

华南理工大学博士研究生龙承运为文章第一作者，华南理工大学章圆方副教授和青岛理工大学朱晓阳教授为文章共同通讯作者。感谢国家自然科学基金等项目对本工作的资助及香港大学机械工程系方绚莱教授的指导。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2024.101406

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