磁性触发远程形状记忆与除冰的双重固化动态共价网络复合材料：功能性能与冰层剥离分析建模

《Advanced Composites and Hybrid Materials》：Dual-curing vitrimeric composite with magnetically triggered remote shape memory and de-icing: functional performance and analytical modeling of ice detachment

为解决传统加热方式效率低、接触式除冰能耗高等问题，研究人员开展了一项关于磁性形状记忆聚合物（MSMP）复合材料的研究。该研究将Fe2O3纳米颗粒掺入基于巯基-环氧点击反应的双重固化Vitrimer基质中，开发出一种新材料。结果表明，该材料在交变磁场下能快速自加热至约180 °C，有效驱动形状记忆恢复和无接触除冰，并建立了冰层剥离的关键物理参数模型，为远程高效功能材料提供了新策略。

　　

在材料科学和工程领域，如何实现材料的远程、非接触式操控与功能化一直是前沿挑战。特别是在航空航天、极地探测以及日常生活的冬季设施维护中，积冰问题不仅影响设备性能和安全，传统的除冰方法如机械刮除或喷洒化学试剂往往效率低下、能耗高，且可能对环境造成负担。与此同时，形状记忆聚合物（SMPs）作为一种能够在外界刺激下从临时形状恢复至原始形状的智能材料，在软体机器人、生物医疗等领域展现出巨大潜力。然而，传统的热驱动SMPs通常需要直接或传导加热，限制了其在封闭空间或复杂环境中的应用。因此，开发一种能够响应远程、非接触式刺激（如磁场），并同时集成多种功能（如形状记忆和高效除冰）的新型复合材料，成为了一个极具吸引力的研究方向。

最近，一篇发表在《Advanced Composites and Hybrid Materials》上的研究为我们带来了新的解决方案。研究人员巧妙地将磁性纳米颗粒与一种特殊的动态聚合物网络相结合，创造了一种不仅能够被磁场远程“唤醒”形状记忆，还能瞬间融化附着冰层的智能材料。这项研究不仅仅停留在展示材料的功能，更深入地从机理上建模分析了冰层是如何被“推离”材料表面的，为未来设计更高效的功能材料提供了理论依据。

为了开展这项研究，研究人员主要采用了以下几个关键技术方法：首先是双重固化(Dual-curing)策略，基于巯基-环氧点击反应和酯交换反应构建Vitrimer（动态共价网络聚合物）基质，实现了材料性能的可调和后续热成型加工的便利。其次是纳米复合技术，通过将Fe₂O₃（三氧化二铁）纳米颗粒作为磁性填料掺入聚合物基质，赋予材料磁热效应。再者是交变磁场(Alternating Magnetic Field)远程激发技术，用于触发材料的形状记忆恢复和除冰功能。最后，研究建立了分析建模(Analytical Modeling) 方法，用以定量描述冰层剥离的物理机制，关联关键参数如冰层厚度、表面角度和磁场强度。

研究结果

1. 材料设计与双重固化机制

研究人员开发了一种基于巯基-环氧点击反应的双重固化Vitrimer基质。这种策略首先使材料固化成易于运输的固态形式，其热机械性能可根据需要调整。随后，无需额外的化学处理，即可通过热成型进行二次加工，显著降低了成本和工艺复杂性。更重要的是，体系中的羟基与酯基通过酯交换反应(Transesterification) 形成动态共价键，这使得材料在加热时具有类似玻璃的流动性和可重塑性，即Vitrimer特性。

2. Fe₂O₃纳米颗粒对性能的影响

分析表明，掺入Fe₂O₃纳米颗粒显著提升了复合材料的性能。在力学方面，纳米颗粒增强了材料的机械强度。在热学方面，它们提高了材料的热导率，并在低浓度下对固化反应起到催化作用。对于核心的形状记忆性能(Shape-memory Properties)，纳米颗粒的加入进一步改善了材料的形状固定率和恢复率。

3. 磁热效应与形状记忆激活

通过调节Fe₂O₃的含量，复合材料在交变磁场作用下能够实现高效的自加热。最高加热温度可达约180 °C，这为远程、非接触式激活材料的形状记忆效应提供了充足的热源。实验证明，该磁性形状记忆聚合物（MSMP）在磁场刺激下能快速完成形状恢复。

4. 磁感应除冰的概念验证

本研究提出并验证了一种基于磁感应的除冰新策略。即使使用最低浓度的Fe₂O₃，材料在交变磁场下也能在数秒内升温至120 °C以上。这个温度足以迅速融化材料与冰层界面的冰，产生一层薄薄的水膜。正是这层水膜的存在，极大地降低了冰与材料表面的粘附力，从而实现快速、无接触的冰层剥离，整个过程展现出很高的热效率。

5. 除冰机理的分析模型

为了深入理解除冰过程，研究提出了一个分析模型，用于定量描述冰层剥离的机制。该模型建立了导致冰层脱落所需的关键熔化水层厚度(Critical Thickness of the Melted Water Layer) 与几个关键物理参数之间的关联。这些参数包括：冰层本身的厚度、材料表面的接触角度以及所施加的磁场强度。该模型为预测和优化除冰性能提供了理论工具。

结论与讨论

这项研究成功开发了一种集远程磁触发形状记忆和高效无接触除冰功能于一体的双重固化Vitrimer复合材料。通过引入Fe₂O₃纳米颗粒，材料获得了优异的磁热效应，使其能在交变磁场驱动下快速升温，同步实现形状恢复和界面冰层融化。研究所采用的双重固化策略简化了加工流程，而动态共价网络（Vitrimer）则赋予了材料可重塑的潜力。

研究的重要意义在于其多功能集成性与远程操控性。它不仅为形状记忆聚合物提供了一种非接触式的刺激方式，拓展了其在密闭或特殊环境中的应用场景，而且提出了一种快速、节能、环保的除冰新思路。特别值得指出的是，研究不仅展示了现象，还通过建立分析模型，从物理原理层面解释了冰层剥离的关键条件，将材料性能与宏观物理参数联系起来，这对未来设计针对特定除冰需求（如不同厚度冰层）的定制化材料具有重要的指导价值。这项工作展示了动态共价网络聚合物与功能纳米粒子结合在创造下一代远程驱动智能材料方面的巨大潜力。