摘要：形状记忆聚合物 (shape memory polymer；SMP) 是一类能够在特定条件下变形并恢复原状的智能材料，在航空航天、智能结构和生物医学等领域具有广泛的应用前景。碳纤维编织布因其优异的机械性能和设计灵活性，被广泛用于增强 SMP，从而提高其形状记忆
一、引言
形状记忆聚合物 (shape memory polymer；SMP) 是一类能够在特定条件下变形并恢复原状的智能材料，在航空航天、智能结构和生物医学等领域具有广泛的应用前景。碳纤维编织布因其优异的机械性能和设计灵活性，被广泛用于增强 SMP，从而提高其形状记忆性能和机械强度。目前，关于机织物增强形状记忆聚合物复合材料（woven fabrics reinforced shape memory polymer composite ；WFR-SMPC） 的形状记忆循环行为和机械耐久性的研究相对较少，特别是针对不同编织纹理对 WFR-SMPC 性能的影响研究更为缺乏。
近日，《Composites Science and Technology》期刊发表了哈尔滨工业大学冷劲松教授团队完成的有关编织布增强形状记忆聚合物复合材料的形状记忆循环行为与机械耐久性的研究成果。该研究通过形状记忆循环测试和机械耐久性测试，探究了编织纹理对 WFR-SMPC 机械性能和形状记忆性能的影响，为设计新型编织增强形状记忆聚合物复合材料提供了参考价值。论文标题为“Shape memory cyclic behavior and mechanical durability of woven fabric reinforced shape memory polymer composites”。
二、内容简介
该研究主要探讨了编织纹理对形状记忆聚合物复合材料 (WFR-SMPC) 的形状记忆循环行为和机械耐久性的影响。研究对比了三种编织纹理（平纹、斜纹和缎纹）对 WFR-SMPC 的形状记忆性能和机械性能的影响。
图1 材料准备过程。
研究采用多种方法探究编织纹理对 WFR-SMPC 形状记忆循环行为和机械耐久性的影响。使用环氧基 SMP 和三种编织纹理的碳纤维布（平纹、斜纹和缎纹）制备了纯 SMP 标样和三种 WFR-SMPC 层合板，为后续测试提供了材料基础。使用光学显微镜观察了三种编织纹理的微观结构特征，包括纤维束的排列方式、交织密度等，为分析其对 WFR-SMPC 性能的影响提供依据。
图2 试样和设备。
研究使用万能试验机对 SMP 和 WFR-SMPC 进行了形状记忆循环测试，分别研究了 SMP 在拉伸模式下和 WFR-SMPC 在面内剪切模式下的形状记忆行为，并分析了不同温度、应变和编织纹理对形状记忆性能的影响。
图3 形状记忆循环示意图。
最后，通过重复加载-恢复循环测试，考察了 WFR-SMPC 的机械耐久性和失效模式，并分析了不同剪切应变、编织纹理对耐久性和失效模式的影响，揭示了编织纹理对 WFR-SMPC 机械耐久性的影响机制。
图4 用于制造WFR SMPC的三种不同织物的显微观察。（a） 平纹织物；（b） 斜纹编织；（c） 缎面编织。
该研究结果表明，SMP 的形状记忆性能受温度影响，温度越高，形状记忆性能越好。在高于玻璃化转变温度 (Tg) 的温度下，SMP 的形状固定率和形状恢复率均高于 98% 和 90%。编织纤维增强显著提高了 SMP 基体的机械性能，同时仍然保持了良好的形状恢复率 (高于 98%) 和形状固定率 (高于 90%)。
图5 不同条件下SMP的形状记忆循环测试。
不同编织纹理对 WFR-SMPC 的性能影响不同，斜纹 WFR-SMPC 具有最佳的机械性能，包括承载能力和恢复应力；缎纹 WFR-SMPC 具有最高的形状恢复率；平纹 WFR-SMPC 在 +45° 和 -45° 方向上的性能一致性最好。高剪切应变下，WFR-SMPC 的主要失效模式是纤维束的旋转错位、弯曲和基体损伤。
图6 不同（±45◦）WFR SMPC的形状记忆循环和破坏性测试。
三、小结
该研究结果表明，编织纹理对 WFR-SMPC 的机械性能和形状记忆性能具有重要影响。通过选择合适的编织纹理，可以有效提高 WFR-SMPC 的形状记忆性能和机械耐久性，使其在智能结构等领域具有更广泛的应用前景。
原始文献：
Ming, G., Li, F., Xu, M., Zeng, C., Zhao, W., Liu, L., ... & Leng, J. (2024). Shape memory cyclic behavior and mechanical durability of woven fabric reinforced shape memory polymer composites. Composites Science and Technology, 258, 110866.
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责任编辑：复小可
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来源：兔头努力中