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模具是制造业中不可或缺的工具，用于构件的成型。随着制造技术的发展，对复杂构件的设计和制造提出了更高的要求。然而，传统模具在脱模、设计复杂度以及自身重量等方面存在诸多局限性，难以满足现代制造业的需求。形状记忆聚合物 (SMP) 具有响应外部刺激恢复初始形状的特性，为智能模具的开发提供了新的思路。目前，SMP 智能模具已成功应用于纤维缠绕等工艺，但现有 SMP 智能模具在大型构件制造中存在变形能力有限、易破裂等问题，限制了其应用范围。
近日，《Composites Part A: Applied Science and Manufacturing》期刊发表了一篇由哈尔滨工业大学冷劲松院士团队完成的有关可调刚度和可编程形状记忆复合材料助力复杂结构智能模具的研究成果。该研究开发的形状记忆聚合物和复合材料具有大变形能力和优异形状记忆性能，有望推动复杂构件制造技术的升级，并为智能模具的开发提供新的思路。论文标题为“Adjustable-stiffness and programmable shape memory polystyrene composites with elastic fibers for complex structure smart molds”。
研究人员使用苯乙烯、聚乙二醇二丙烯酸酯、过氧化苯甲酰等材料，通过自由基聚合反应制备形状记忆聚合物 (SMP)。此外，还使用了尼龙-氨纶弹性纤维布作为增强材料。
SMP 的合成采用一锅法（one-pot method ），通过加入不同比例的交联剂 (DVB 或 PEGDA) 和引发剂 (BPO) 来控制聚合物的刚柔程度。合成过程中，研究人员分别制备了 SMP1、SMP2 和 SMP3 三个样品，其分子结构和合成过程如图 1(a) 所示。
SMPC 的制备过程如图 1(b) 所示。首先将弹性纤维布以预设角度铺设在模具中，然后将 SMP 浇注在纤维布上，并按照特定的固化工艺进行固化。研究人员制备了 SMPC1 和 SMPC2 两个样品，分别对应 ±45° 和 0°/90° 的纤维铺设角度。
通过傅里叶变换红外光谱 (FTIR) 和差示扫描量热法 (DSC) 对 SMP 的结构和性能进行了表征。结果表明，SMP 为非晶态聚合物，其玻璃化转变温度 (Tg) 随着交联剂柔性的增加而降低。此外，热重分析 (TGA) 结果表明，SMP 具有良好的热稳定性。
动态力学分析 (DMA) 结果表明，SMP 和 SMPC 的储能模量随温度升高而降低，并出现两个转变区域，分别对应玻璃态到高弹态的转变和弹性纤维的形变。SMPC 的损耗因子曲线出现两个峰，分别对应纤维和树脂基体的转变温度。
静态拉伸结果表明，SMP 的断裂伸长率随着交联剂柔性的增加而提高，而弹性模量则显著降低。SMPC 的弹性模量低于 SMP，但断裂伸长率有所提高，且 ±45° 层铺纤维的 SMPC1 具有更高的断裂伸长率。
研究人员测试了 SMP 和 SMPC 在 85℃ 下的形状记忆性能。结果表明，SMP 和 SMPC 均具有优异的形状恢复率和形状固定率，且能够在短时间内完成形状恢复。
作者将形状记忆聚合物和复合材料应用于智能模具等领域，实现了 2D 到 3D 结构的转换，以及 3D 到 4D 可变形构件的制备。例如，将形状记忆复合材料应用于瓶形模具，可以实现大型构件的快速脱模。此外，形状记忆复合材料还可以用于可编程玩具、智能遮阳篷等领域。
该研究制备了具有大变形能力和优异形状记忆性能的热固性形状记忆苯乙烯及其复合材料，并将其应用于智能模具等领域，实现了复杂结构的制备和转换，为复杂构件的制造提供了新的思路。
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