形状记忆聚合物复合材料研制及其应用on哈工大（20160420期）

前几期介绍了国外智能可变形材料与结构及其在飞行器上的应用情况。相比国外，国内在该领域的研究起步较晚，智能结构技术在飞行器上的应用探索较少。下面本文就来介绍一下哈尔滨工业大学开展的形状记忆聚合物复合材料研制及其应用研究。...





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前几期介绍了国外智能可变形材料与结构及其在飞行器上的应用情况。相比国外，国内在该领域的研究起步较晚，研究内容更多为高校实验室的基础理论研究，智能结构技术在飞行器上的应用探索较少。下面本文就来介绍一下哈尔滨工业大学开展的形状记忆聚合物复合材料研制及其应用研究。

一、形状记忆聚合物

在智能材料和结构技术的发展中，形状记忆聚合物( Shape Memory Polymers, SMP) 因为其能主动产生大变形而逐渐成为研究的热点之一。该材料在一定条件作用下能够主动产生高达100%的大回复变形，因此在智能主动变形结构研究领域显示出巨大的应用潜力。

形状记忆聚合物按激励形式的不同可分为热致、电致、光致和溶液驱动等类型。其中，热致型形状记忆聚合物具有激励形式简单、可回复形变量大和响应速度快等优点，是研究最为广泛和深入的。热致型形状记忆聚合物的形状记忆效应如下图所示。上图中T表示温度，T 表示玻璃化转变温度。形状记忆聚合物的研究已经相对成熟，迄今为止，世界上已相继开发出形状记忆聚氨酯、形状记忆环氧树脂、形状记忆苯乙烯、形状记忆聚酯、形状记忆氰酸酯、形状记忆苯乙烯-丁二烯共聚物、形状记忆反式聚异戊二烯、降冰片烯等热固性和热塑性形状记忆聚合物材料。

二、增强的形状记忆聚合物复合材料

形状记忆聚合物虽然回复应变较大，但主要缺点是材料的模量、强度等力学和热-力学性能较差，如变形的回复输出力较小，运动稳定性和可靠性较差，蠕变和松弛现象较严重等，这些缺点影响了其应用，特别是在航天飞行器上的应用。因此，研究人员自然想到利用形状记忆聚合物来制造其复合材料，以克服上述缺陷。形状记忆复合材料具有可回复应变大、变形回复输出力较大、可靠性高、低密度、高刚度、高强度和低成本等优点。

形状记忆复合材料大致分为三类，颗粒填充复合材料、短纤维增强复合材料、纤维增强复合材料。颗粒填充形状记忆复合材料具有可回复应变大、回复力较大等优点，但是其综合力学性能相对较差，不宜作为大型结构材料。纤维增强形状记忆复合材料主要作为结构材料，其综合力学性能较好，具有回复力较大、结构刚度和强度较高等优点。但是由于纤维增强相的可回复应变较小（一般< 2%）， 其纤维增强方向一般不能作为变形的主方向，因此, 在实际应用中多利用层合板状纤维增强复合材料的大挠度弯曲变形以达到驱动的目的。短纤维增强形状记忆复合材料的力学性能和变形能力介于以上两者之间。三、哈工大开展的形状记忆聚合物复合材料应用研究

卫星、飞船和空间站的航天器由于受到运载器空间限制，其上太阳能电池、桁架和天线等结构必须发射前折叠，直到入轨后再展开到工作状态。基于形状记忆聚合物的大变形特性，可以将其应用于空间可展开结构。

哈尔滨工业大学研制了热固性苯乙烯基和环氧基形状记忆聚合物，并完成了环氧基形状记忆聚合物及其复合材料的抗空间极端环境（温度、辐照和真空等） 的性能测试。该单位研究人员还利用环氧形状记忆复合材料设计并制造了可展开空间结构，包括可展开铰链、桁架和天线等。此外, 哈尔滨工业大学也研制了形状记忆复合材料可展开桁架。该桁架由三个纵向的圆弧形截面的形状记忆复合材料梁（热致型）构成，三条梁背面相对，且沿圆周方向均匀分布（各自间隔120°)。在桁架的折叠收缩状态，三条纵向的形状记忆复合材料梁以S 型折叠收缩，随后对复合材料梁通电加热，梁结构变形回复，桁架实现展开。哈尔滨工业大学还研制了碳纤维增强的环氧形状记忆聚合物复合材料，经特定结构设计和适当调节增强相含量后，使其既具有较好的形状回复性能，又具有良好的导电性（即具有电致驱动特性），同时具有较高的弹性模量和较强的抗蠕变、抗松弛能力。

参考文献

[1]冷劲松，兰鑫，刘彦菊，杜善义.形状记忆聚合物复合材料及其在空间可展开结构中的应用[J].宇航学报.

[2]张蕊瑞.形状记忆变刚度空间可展开结构的设计[D].哈尔滨工业大学.

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