近日，研究院智能材料与结构团队在形状记忆聚酰亚胺材料方面取得重要进展。团队设计制备了“基于多元单体调控的高强高模高韧性形状记忆聚酰亚胺材料”并设计了Kresling折纸结构，未来可应用于柔性可展开太空舱。相关成果以《基于多元单体调控的高强高模高韧性形状记忆聚酰亚胺及Kresling折纸结构设计》（Multimonomer regulation-based high strength, high modulus, high toughness shape memory polyimide and Kresling origami structures）为题，发表于材料和化工领域TOP期刊《化学工程杂志》（Chemical Engineering Journal）。
研究背景
在航天领域中，为了节省空间和降低发射成本，柔性可展开太空舱被广泛研究，它们可以在发射前紧密折叠，并在太空中展开，为宇航员和航天设备提供较大的封闭空间，是未来载人天地往返系统、深空探测器、月球居住舱、火星基地的重要发展方向。形状记忆聚合物（Shape memory polymer, SMP）由于具有变形大、质量轻、自主回复形状的优势，成为柔性可展开太空舱的重要材料之一。形状记忆聚酰亚胺（Shape memory polyimide, SMPI）具有耐高温、质量轻、强度大、耐辐照等优点，在航空航天、柔性电子、极端环境设备方面具有广阔的应用前景，但其脆性大，折叠易断裂，限制了更广泛的应用，因此本文通过对SMPI分子调控，期望得到具有高强高模高韧的SMPI材料，为快速主动变形和空间可展开结构提供材料基础。
成果简介
研究团队以2-(4-氨基苯基)-5-氨基苯并咪唑（DAPBI）、2-(4-氨基苯基)-5-氨基苯并噁唑（AAB）、3,3’,4,4’-联苯四甲酸二酐（BPDA）为原料单体，通过对SMPI分子主链段调控，采用多元单体缩聚-前驱体共混-热亚胺化方法，得到高性能形状记忆聚酰亚胺材料。
图1 高强高模高韧性形状记忆聚酰亚胺材料合成路径
该材料拉伸强度为262.2 MPa，杨氏模量为6.0 GPa，断裂伸长率为27.9%，断裂能为5.87*106 kJ/m3，其拉伸强度可达到铝合金强度的87%-262%，钢铁强度的25%-75%，陶瓷强度的25%-66%，断裂伸长率可达铝合金的2倍、钢铁的7倍、陶瓷的14倍，是非常优异的高强高模高韧材料。通过实验测试和分子模拟方法，揭示了该SMPI高强高模高韧性的分子机制。
图2 高强高模高韧性形状记忆聚酰亚胺材料力学性能，拉伸强度与其他聚酰亚胺材料、铝合金、钢铁和陶瓷的对比数据，以及拉伸10%的分子动力学模拟
形状记忆试验结果表明，在22秒的热场激励下，可完全恢复到原始形状，形状固定率为98.7%，形状恢复率为97.9%。随后，以此SMPI为基体材料设计了Kresling折纸结构，展示出了大收缩-展开特性，以及能量吸收特性，在受到冲击或压缩时，有效地吸收和分散能量，保护结构和其中的物体免受损坏，可应用在空间可展开结构上，为柔性可展开太空舱提供高性能材料基础和结构设计参考。
图3 Kresling折纸结构设计及力学性能表征
哈工大苏州研究院为论文第一完成单位，研究院智能材料与结构团队助理研究员王晓飞博士为论文第一作者，哈尔滨工业大学冷劲松院士为论文通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目资助。
智能材料与结构团队深耕智能聚合物/复合材料设计、变形结构、空间展开结构、4D打印技术及其生物医学应用、软体机器人等方向，常年诚招硕博研究生及博士后研究人员。团队主页：https://smart.hit.edu.cn./
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.170950
文稿：秦杨一，责任编辑：孙铭锌，审核：王艺衡
