形狀記憶聚合物
關(guān)注創(chuàng)建者：Fair 創(chuàng)建時(shí)間：2019-02-25
形狀記憶聚合物的視頻教程
Abaqus材料模型-形狀記憶合金彈性本構(gòu)
一、視頻內(nèi)容介紹 二、形狀記憶合金彈性本構(gòu)理論 三、ABAQUS中形狀記憶合金彈性本構(gòu)參數(shù)標(biāo)定方法 四、形狀記憶合金仿真案例
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Workbench形狀記憶合金案例和視頻
采用workbench做記憶合金梁結(jié)構(gòu)的分析，附件包含視頻文件和案例源文件。主要介紹內(nèi)容如下： 記憶合金材料屬性 材料參數(shù)輸入介紹（發(fā)生塑性變形） 網(wǎng)格劃分 約束和載荷添加 后處理，結(jié)構(gòu)恢復(fù)原狀
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形狀記憶聚合物的實(shí)例教程
形狀記憶聚合物是一種在外界刺激條件下產(chǎn)生形狀變化的智能材料，4D打印是基于可變形材料和3D打印技術(shù)的一種綜合性技術(shù)，可變形材料中形狀記憶聚合物的應(yīng)用最為廣泛，目前4D打印形狀記憶聚合物在各個(gè)領(lǐng)域都有應(yīng)用，如生物醫(yī)療、航空航天、電子器件等領(lǐng)域，其智能化和可定制化的特點(diǎn)在生物醫(yī)療領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用價(jià)值。4D打印技術(shù)突破了傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域個(gè)性化訂制的技術(shù)瓶頸，為生物醫(yī)療領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展提供了新的契機(jī)近年來，受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛研究和關(guān)注。
哈爾濱工業(yè)大學(xué)冷勁松教授研究團(tuán)隊(duì)對4D打印形狀記憶聚合物在生物醫(yī)療領(lǐng)域的國內(nèi)外研究進(jìn)展進(jìn)行全面而系統(tǒng)的綜述。他們首先對形狀記憶聚合物材料的響應(yīng)機(jī)理及形變激勵(lì)條件（如溫度、濕度、電場、磁場、pH等）進(jìn)行了解析，也對4D打印原理進(jìn)行了闡述，同時(shí)詳細(xì)介紹了4D打印形狀記憶聚合物在生物醫(yī)療領(lǐng)域的實(shí)例和應(yīng)用價(jià)值，包括血管支架（圖4）、氣管支架、細(xì)胞支架、骨支架、心臟支架、乳房支架、仿生肌肉等。該團(tuán)隊(duì)還總結(jié)了4D打印形狀記憶聚合物在生物醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用前景（圖3）、最后，該團(tuán)隊(duì)對目前4D打印形狀記憶聚合物在生物醫(yī)療領(lǐng)域存在的問題進(jìn)行了探討，并對其未來發(fā)展方向進(jìn)行了展望。
圖4 4D打印形狀記憶血管支架在外加磁場的作用下發(fā)生形變的示意圖[34]
圖3 4D打印形狀記憶聚合物在生物醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用及潛在應(yīng)用
相關(guān)文章發(fā)表于《中國科學(xué)：技術(shù)科學(xué)》雜志，相信這篇綜述對相關(guān)領(lǐng)域的研究者具有重要的參考價(jià)值。
全文連接：
http://engine.scichina.com/doi/10.1360/N092018-00153
來源：高分子科學(xué)前沿
展開 形狀記憶聚合物作為一種新興的智能材料能夠記憶暫時(shí)形狀，并在外界激勵(lì)條件下主動回復(fù)到初始形狀。基于靜電紡絲技術(shù)，將形狀記憶聚合物及其復(fù)合材料制備成纖維結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)熱、電、光、PH、水、磁及電效應(yīng)等激勵(lì)變形過程，在生物醫(yī)療、智能紡織、傳感、驅(qū)動等方面應(yīng)用廣泛。近年來，受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛研究和關(guān)注。
哈爾濱工業(yè)大學(xué)冷勁松教授團(tuán)隊(duì)就近10年形狀記憶聚合物微納米纖維膜的制備技術(shù)、結(jié)構(gòu)形貌、驅(qū)動方法及其生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)論述。文章總結(jié)了由靜電紡絲技術(shù)制備的形狀記憶聚合物微納米纖維膜的多種結(jié)構(gòu)，包括無紡、核殼、中空、取向纖維等結(jié)構(gòu)（Fig3）及其不同的驅(qū)動方式，包括熱驅(qū)動、磁驅(qū)動、水驅(qū)動等驅(qū)動方法。隨后，文章對形狀記憶聚合物微納米纖維膜在骨組織支架、骨組織修復(fù)、神經(jīng)支架（Fig10）及細(xì)胞培養(yǎng)等方面的應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)。最后，該團(tuán)隊(duì)對目前形狀記憶聚合物材料其他結(jié)構(gòu)在血管直接、氣管支架、骨修復(fù)藥物及細(xì)胞載體、動脈瘤、血栓和心臟貼片等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)行了概括，并對形狀記憶聚合物微納米纖維膜未來的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。
圖文速遞
圖3 不同結(jié)構(gòu)的纖維無紡結(jié)構(gòu)（a）[30]；核殼結(jié)構(gòu)（b）[33]；中空結(jié)構(gòu)（c）[34]和取向纖維（d）[37]
圖10 在第9天，在（A）P5，（B）P5C0.5，（C）P5C1和（D）P5C2納米纖維上培養(yǎng)PC12細(xì)胞表達(dá)的NF200[45]
形狀記憶聚合物微納米纖維膜在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)展相應(yīng)文章發(fā)表于《中國科學(xué)：技術(shù)科學(xué)》雜志上，相信這篇綜述對相關(guān)領(lǐng)域的研究者具有重要的參考價(jià)值。
全文連接：
https://doi.org/10.1360/N092018-00126
來源：高分子科學(xué)前沿
展開 雙網(wǎng)絡(luò)自修復(fù)4D打印形狀記憶聚合物。
該項(xiàng)研究被發(fā)表在了最新一期的ACS Applied Materials & Interfaces上，新加坡科技設(shè)計(jì)大學(xué)博士后（現(xiàn)西北工業(yè)大學(xué)柔性電子研究院副教授）張彪和博士生研究生張旺為論文共同第一作者。
全文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.9b00359
來源：高分子科學(xué)前沿
形狀記憶聚合物(Shape Memory Polymer，SMP)是一類擁有寬廣應(yīng)用前景的新型智能材料，具有質(zhì)量較小、變形量大等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、紡織行業(yè)以及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，目前正受到人們的密切關(guān)注。
為了研究形狀記憶聚合物相關(guān)結(jié)構(gòu)的形狀記憶過程，以往常常需要使用Fortran語言去編寫復(fù)雜繁瑣UMAT(用戶材料子程序)，現(xiàn)在本人采用了一種適合對SMP復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元模擬的方法，該方法不需要寫umat子程序，分別利用有限元仿真軟件ABAQUS中內(nèi)置的廣義Maxwell模型和Neo-Hookean模型來描述材料的粘彈性行為和超彈性行為。然后針對SMP的板結(jié)構(gòu)，通過ABAQUS軟件對它們的形狀記憶過程進(jìn)行了有限元模擬分析，得到了應(yīng)力-應(yīng)變-溫度三者間的關(guān)系。模擬結(jié)果表明：本文介紹的這種新方法能夠準(zhǔn)確地模擬SMP的形狀記憶過程。
一、SMP熱粘彈性本構(gòu)模型
根據(jù)Tobushi等人的研究，得到了用應(yīng)力率表示應(yīng)變率的微分形式的SMP力學(xué)一維本構(gòu)方程：
二、SMP板結(jié)構(gòu)的有限元模擬
1、有限元模型建立
在ABAQUS中建立SMP平面板模型如圖1所示，尺寸為100mm×40mm，選擇Shell進(jìn)行建模，指定厚度為5mm。網(wǎng)格劃分一共有160個(gè)單元，從計(jì)算效率考慮，每一個(gè)單元尺寸設(shè)置為2mm，采用S4R殼單元，即為四節(jié)點(diǎn)減縮積分殼單元，計(jì)算方式采用Full-Newton求解法。
圖1 有限元模型
在相互作用模塊，需要將板的兩個(gè)短邊分別耦合到兩個(gè)控制點(diǎn)，控制點(diǎn)與邊之間設(shè)置MPC-beam耦合，圖1中的RP-1和RP-2分別為兩邊的控制點(diǎn)。材料屬性設(shè)置用到了SMP本構(gòu)模型。
展開 以傳統(tǒng)形狀記憶聚合物為例，首先它需要特定的外界刺激來觸發(fā)變形，比如最常見的熱刺激；其次它的變形只遵循單一的回復(fù)路徑，比如從臨時(shí)形狀回復(fù)為永久形狀。而施加刺激在某些場景下（如體內(nèi)環(huán)境）往往很難實(shí)現(xiàn)，并且很多功能也要求變形路徑的多元化，因此這些不足很大程度地限制了變形材料的應(yīng)用價(jià)值。
鑒于此，浙江大學(xué)謝濤教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種無需特定外界刺激就可實(shí)現(xiàn)自發(fā)多路徑變形的形狀記憶聚合物，并探究了該材料在4D打印、防偽和時(shí)間溫度指示劑等方面的應(yīng)用。
該體系中同時(shí)具有永久共價(jià)交聯(lián)與多重UPy氫鍵交聯(lián)，共價(jià)交聯(lián)保證了永久形狀的回復(fù)(形狀回復(fù)率)，而氫鍵的動態(tài)交換可用來調(diào)控自發(fā)回復(fù)的動力學(xué)（形狀回復(fù)速率）。具體來說，在高溫下編程時(shí)，氫鍵交換速率快，引起部分鏈段松弛，體系中熵驅(qū)動力變小，因此在室溫下自發(fā)回復(fù)的速率較慢；而在低溫下編程時(shí)氫鍵交換速率慢，體系的熵驅(qū)動力大，在室溫回復(fù)時(shí)速率較快（圖1）。由于時(shí)溫等效性，控制編程時(shí)間同樣可以帶來不同的熵驅(qū)動狀態(tài)?？偠灾ㄟ^控制編程的時(shí)間和溫度，可以實(shí)現(xiàn)自發(fā)的時(shí)序性變形行為。
圖1 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)及編程原理
基于此原理，通過數(shù)字化光熱效應(yīng)可以區(qū)域化調(diào)控編程溫度，從而控制各區(qū)域的內(nèi)應(yīng)力松弛程度。而內(nèi)應(yīng)力松弛程度又決定了形狀回復(fù)速率，因此在各區(qū)域的協(xié)同作用下該材料便可實(shí)現(xiàn)二維平面—三維立體—二維平面的自發(fā)變形路徑的編程化。通過設(shè)計(jì)油墨圖案并且結(jié)合激光切割，可以得到復(fù)雜的非穩(wěn)態(tài)多路徑變形（圖2）。
圖2 非穩(wěn)態(tài)多路徑變形
進(jìn)一步地，將該體系應(yīng)用于光固化3D打印，可以制備具有復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的永久形狀。
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形狀記憶聚合物的最新內(nèi)容
Ansys | 基于熱效應(yīng)的形狀記憶合金脊柱間隔器仿真分析1小時(shí)前
形狀記憶合金（SMA）能夠在發(fā)生大變形后不產(chǎn)生殘余應(yīng)變（偽彈性），并且可以通過溫度變化從大變形中恢復(fù)（形狀記憶效應(yīng)）。偽彈性和形狀記憶效應(yīng)使其特別適用于航空航天、生物醫(yī)學(xué)和結(jié)構(gòu)工程等領(lǐng)域。本仿真模擬了將形狀記憶合金用作脊柱間隔器的過程。
目標(biāo)
熟悉形狀記憶合金
理解考慮熱效應(yīng)的形狀記憶合金建模流程
建模步驟
1. 在 ANSYS Workbench 中創(chuàng)建靜力結(jié)構(gòu)系統(tǒng)
形狀記憶合金（SMA）能夠在發(fā)生大變形后不產(chǎn)生殘余應(yīng)變（偽彈性），并且可以通過溫度變化從大變形中恢復(fù)（形狀記憶效應(yīng)）。偽彈性和形狀記憶效應(yīng)使其特別適用于航空航天、生物醫(yī)學(xué)和結(jié)構(gòu)工程等領(lǐng)域。本仿真模擬了將形狀記憶合金用作脊柱間隔器的過程。
目標(biāo)
熟悉形狀記憶合金
理解考慮熱效應(yīng)的形狀記憶合金建模流程
建模步驟
1. 在 ANSYS Workbench 中創(chuàng)建靜力結(jié)構(gòu)系統(tǒng)
一種可用于形狀記憶合金（SMA）的UMAT子程序9個(gè)月前
1、 引言
形狀記憶合金（SMA）因具有形狀記憶效應(yīng)和超彈性等獨(dú)特力學(xué)行為，在航空航天、生物醫(yī)學(xué)、智能結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。然而，其力學(xué)響應(yīng)涉及奧氏體 - 馬氏體相變的復(fù)雜耦合，傳統(tǒng)商用有限元軟件的內(nèi)置材料模型難以精準(zhǔn)描述。
本文提出的 UMAT 子程序（用戶自定義材料子程序）可有效模擬 SMA 的力學(xué)行為，核心優(yōu)勢包括：
1) 支持自定義材料屬性，靈活適配不同類型 SMA（如 NiTi
我用comsol進(jìn)行sma彈簧仿真，固定彈簧一端邊界，另一端邊界給了一個(gè)力載荷，拉伸彈簧發(fā)生了不正確的彈簧變形，不知道問題在哪里，老師們可否解答一二。
并且我發(fā)現(xiàn)他的形狀記憶合金只涉及奧氏體和馬氏體，并沒有對馬氏體進(jìn)行孿晶馬氏體和去孿晶馬氏體的區(qū)分，這樣的話在仿真形狀記憶效應(yīng)的時(shí)候初始狀態(tài)和結(jié)束狀態(tài)馬氏體體積分?jǐn)?shù)為0，但是其實(shí)并不是這樣，請問會不會有問題。
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該示例問題提出了兩種形狀記憶合金（SMA）模擬：脊柱間隔植入物和彈簧致動器。
突出顯示了以下特性和功能：
• 使用馬氏體和奧氏體（鎳鈦化合物）的SMA材料模型
• 熱載荷下的SMA行為
介紹
形狀記憶合金（SMA）是一種材料，在經(jīng)受機(jī)械加載/卸載循環(huán)之后，能夠經(jīng)受大變形而不顯示殘余應(yīng)變（偽彈性），或者能夠通過溫度變化從大變形中恢復(fù)（形狀記憶效應(yīng)
對于4D打印電子應(yīng)用，可以在形狀記憶聚合物(SMPS)中加入導(dǎo)電填料，使其具有所需的電學(xué)性能。除了具有用于4D打印電子應(yīng)用的導(dǎo)電開關(guān)電源外，導(dǎo)電功能材料還可以直接沉積在4D印刷結(jié)構(gòu)上或嵌入其中。
●3D打印生物電子器件
由于3D打印技術(shù)能夠創(chuàng)建高度集成的3D多功能結(jié)構(gòu)，許多研究人員正在探索這一新興技術(shù)，以制造具有電功能的幾何復(fù)雜和生物兼容的設(shè)備和支架。
3、形狀記憶聚合物、液晶彈性體、水凝膠先進(jìn)材料。如傳輸或處理信息的新型3D打印電子設(shè)備、基于電氣組件的具有感測能力的結(jié)構(gòu)、監(jiān)測心臟組織收縮的組織培養(yǎng)裝置、對環(huán)境刺激具有動態(tài)響應(yīng)的智能設(shè)備。
對于結(jié)構(gòu)材料，要實(shí)現(xiàn)面向材料的增韌設(shè)計(jì)；對于智能材料，如形狀記憶聚合物和合金，有必要實(shí)現(xiàn)可控的變形恢復(fù)設(shè)計(jì)。
3）智能復(fù)合材料
。先進(jìn)復(fù)合材料的先進(jìn)制造技術(shù)將為實(shí)現(xiàn)跨尺度智能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制造提供有力的工具。
形狀記憶聚合物 (SMP) 是最近引入牙科領(lǐng)域的新型材料之一，特別是用于正畸應(yīng)用。它們?yōu)獒t(yī)療材料的應(yīng)用提供了巨大的潛力。
四維打?。?D打?。┘夹g(shù)是基于形狀記憶材料的3D打印。顯然，在給定的環(huán)境條件下，4D 打印部件具有隨時(shí)間（第四維度）改變形狀的能力。隨著形狀記憶聚合物材料的不斷發(fā)展，產(chǎn)品設(shè)計(jì)行業(yè)中的新 4D 打印應(yīng)用有望增長。
