哈工大形状记忆聚合物复合材料可展开梁的立项报告

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1、（一）立项背景（研究现状、趋势、研究意义等）长期以来，随着对科技的探索和掌握人类想在大自然中寻找满足科技需求的材料已经变得越来越困难，于是对新材料的研究变得十分重要。自对智能材料研究之始，一种具有记忆功能的材料就深深的吸引了人们的眼球。形状记忆聚合物是通过对聚合物进行分子组合和改性的一种特殊高分子材料。该材料在一定条件下(如加热状态)，在外界作用下被赋予一定的形状；当外部条件发生变化时，它可相应地改变形状并将其固定。如果外部环境以特定的方式再次发生变化，它们能可逆地恢复至起始形态；至此，完成“记忆起始态→固定变形态→恢复起始态”的循环，聚合物的这种性质称为记忆效应。但是传统形状记忆聚合物有一

2、个较大的弱点即驱动过程中模量过低、回复力较小，这一弱点影响了其在主动变形结构的应用。因此，自然想到向形状记忆聚合物中加入各种增强材料，以获得更大的刚度和回复力，碳纤维增强型形状记忆聚合物就是其中一种。形状记忆聚合物及其复合材料的变形回复过程如图1。图1(a)形状记忆聚合物及其复合材料的变形回复过程20世纪70年代，高分子聚合物特殊的形状记忆效应逐步开始引起了人们的关注。美国国家航空航天局就逐渐开始考虑将形状记忆聚合物应用于航空、航天领域。20世纪80年代中期，形状记忆聚合物进入高速发展阶段。迄今为止，美国和日本等国家已相继开发出形状记忆聚氨酯(日本三菱重工)，形状记忆环氧树脂(美国CTD公司

3、:CompositeTechnologyDevelopment,Inc.），苯乙烯基形状记忆聚合物(美国CRG公司:CornerstoneResearchGroup,Inc.），形状记忆聚酯、形状记忆氰酸酯、形状记忆苯乙烯、形状记忆反式聚异戊二烯等热固性和热塑性形状记忆聚合物材料。迄今为止，在全世界范围内，形状记忆聚合物及其相关领域的研究单位已超过60个。形状记忆聚合物复合材料可以应用于航空、航天领域的主动变形结构。应用主动变形形状记忆复合材料可以设计空间机构，如可展开铰链以及可变翼的蒙皮结构，即通过材料和结构自身的变形来实现结构的展开。这为变形结构技术提供了崭新的应用形式，有望极大的推动航

4、空航天飞行器智能主动变形结构的发展。由于航天器尺寸的限制，空间可展开太阳能电池阵和天线等大型结构在发射前必须折叠，当在轨工作后需经过展开过程以达到工作状态。因此，具有大变形特性的形状记忆聚合物在空间可展开领域显示出很大的应用潜力。而且形状记忆高分子材料的阻尼较大，这使得形状记忆复合材料展开结构的展开运动较为平缓，不易对系统造成较大的冲击。在形状记忆聚合物中加入碳纤维，经特定的结构设计和适当增强相应含量后，既具有良好的形状回复性能，又具有良好的导电性。而在某些需要精确控制的材料变形特别是微变形的场合，，电控制往往比外界加热控制更方便可行，因此导电记忆复合材料也具有更广阔的前景。通过研制加入碳纤

5、维的形状记忆聚合物复合材料展开梁，以及对其力学性能的测试，我们将更加了解形状记忆聚合物的特性，以便将其应用到航空航天事业中。展开梁的应用将大大地节省航天器的空间，在降低发射成本的同时，增强了整个航天系统的安全性和可靠性。这对我们航天事业的发展有很的推动作用。（二）项目研究内容及实施方案形状记忆聚合物复合材料可展开梁的研制：形状记忆聚合物复合材料可展开梁采用30cm×5cm×3mm的规格，以环氧形状记忆树酯为基体，以碳纤维布为增强材料，并在可折叠梁两面覆盖以用于加热的电热膜。其中环氧形状记忆树酯由冷劲松课题组自行配置，相关配方已申请国家专利。图2形状记忆聚合物复合材料可展开梁的折叠图图3形状记

6、忆聚合物复合材料可展开梁的展开图制备流程大致为（1）制备环氧树脂——》（2）裁剪纤维布——》（3）粘贴脱模布于模具上——》（4）涂抹脱模剂——》（5）涂抹树脂及铺设碳纤维布——》（6）组装模具——》（7）将封装完毕的模具放进热压罐里固化——》（8）拆模取得片层形状记忆聚合物复合材料可展开梁的驱动方式采用电热膜贴于可展开梁的两侧的加热驱动方式，通电加热，使形状记忆聚合物复合材料可展开梁受热主动回复到初始状态。由于形状记忆聚合物复合材料热导率很低，大范围的热量传导不能够有效进行，故计划采用电热膜加热驱动方式对折叠梁变形进行控制。表面铺设电热膜的概念即为：将一独立的加热元件—电热膜粘贴于铰链片层表

7、面。当电流经过电热膜时产生热量，热量直接传导至整个可展开梁，使材料达到形状记忆聚合物复合材料玻璃态转变温度。图4加热用电热膜图5固化用真空热压罐该材料动态力学性能测试；1.结构具有主动变形的功能特性，他在热激励作用下能够产生较大的可回复变形，因此我们只要在该材料表面覆上一层电热膜，在它的形状弯曲时将一独立的加热元件—电阻膜粘贴于铰链片层表面。当电流经过电阻膜时产生热量，热量直接传导至片层，使片层材料达到形状记