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

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1、第31卷第4期宇航学报Vol.31No.42010年4月JournalofAstronauticsApril2010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冷劲松,兰鑫,刘彦菊,杜善义(哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所,哈尔滨150080)摘要:综述了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。形状记忆聚合物是一种智能主动变形的高分子材料,该材料在外界激励作用下能够产生较大的可回复变形,可应用于智能主动变形结构。首先简述了形状记忆聚合物的研究现状,然后分别介绍了颗粒、短纤维和连续

2、纤维增强的形状记忆聚合物复合材料的研究现状,并重点评述了三种复合材料的电-热致驱动变形性能。此外,本文还介绍了纤维增强形状记忆复合材料在空间可展开结构上的应用,主要包括可展开铰链、可伸缩梁和可展开天线等。关键词:智能材料与结构;形状记忆聚合物;复合材料;空间可展开结构;主动变形中图分类号:V45文献标识码:A文章编号:1000-1328(2010)04-0950-07DOI:10.3873j.issn.1000-1328.2010.04.002(起始态)施加外力使其变形;在保持外界约束的前0引言提下

3、,使其降温至Tg以下一定温度,撤去外界约束,智能材料与结构(Smart/IntelligentMaterialsand所赋变形能被长期保持下来(变形态);当再次加热Structures)是一门新兴的多学科交叉的综合科学,是至玻璃化转变温度以上时,形状记忆聚合物能自动[1-2]当前学科发展的国际前沿之一。智能材料与结发生形状回复(回复态)。至此,完成“记忆起始态※构技术集传感、作动和控制于一体,使结构不仅具有固定变形态※恢复起始态”的变形循环。在本构关普通材料所具备的承载功能,还具备特殊的感知功系研究

4、方面,由于该材料的变形较大,需要考虑材料能和响应功能。其中传感材料用来感知内外部环境非线性,这增加了研究的难度。现在的本构关系模信息,作动器用来改变结构的物理性质和结构形状,型主要包括基于粘弹性理论的Tobushi线性和非线[15][16]并最终实现结构的自诊断、自适应或自修复等多种性模型,以及基于相理论的细观力学模型。功能。Tobushi非线性模型考察了形状记忆聚合物的应力、在智能材料和结构技术的发展中,一种主动大应变和温度在其变形循环中的相互关系,其最大应变形材料—形状记忆聚合物(ShapeMe

5、moryPoly-变量达到20%以上,该理论模型有效印证了实验结mers,SMPs)逐渐成为研究的热点之一[3-7]。该材料[16]果;在细观力学模型的研究中,Liu在假设形状记在一定条件作用下能够主动产生高达100%的大回忆聚合物由固定相和可逆相组成的基础上,有效地复变形,因此在智能主动变形结构研究领域显示出研究了材料在单向拉伸的非线性变形条件下的形状巨大的应用潜力。形状记忆聚合物按激励形式的不记忆特性。[8][9][10][11-14]同可分为热致、电致、光致和溶液驱动在智能材料与结构领域,形状

6、记忆聚合物的研等类型。其中,热致型形状记忆聚合物具有激励形究已相对成熟。迄今为止,法国、日本、美国等国家式简单、可回复形变量大和响应速度快等优点,是研已相继开发出形状记忆聚氨酯(日本三菱重工)、形究最为广泛和深入的。图1为热致形状记忆聚合物状记忆环氧树脂(美国CTD公司)、形状记忆苯乙烯的热-机械变形过程:在玻璃化转变温度(Glass(美国CRG公司)、形状记忆聚酯、形状记忆氰酸酯、TransitionTemperature,Tg)以上,对形状记忆聚合物形状记忆苯乙烯-丁二烯共聚物、形状记忆反式聚收

7、稿日期:2008-12-13;修回日期:2010-01-23第4期冷劲松等: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951异戊二烯、降冰片烯等热固性和热塑性形状记忆聚及其复合材料方面的研究单位已超过60个。合物材料。目前,在世界范围,有关形状记忆聚合物图1形状记忆聚合物材料的形状记忆效应Fig.1IllustrationoftheshapememoryprocessofSMPs1.1颗粒填充形状记忆复合材料1形状记忆复合材料[24]GallK等研究了SiC纳米颗粒填充的形状记形状记忆聚合物

8、的主要特点是可回复应变较忆环氧复合材料的力学和热机械特性。该材料中添大,一般能达到10%～100%。但主要缺点是材料加了0wt%和20wt%的SiC颗粒,最大拉伸应变为的模量、强度等力学和热-力学性能较差,如变形的11%和15%,SiC纳米颗粒增强了体系的弹性模量回复输出力较小,运动稳定性和可靠性较差,蠕变和及回复力。形状记忆复合材料在60℃(Tg-10℃)松弛现象较严重等,这些缺点影响了其应用,特别是以下变形时,回复应力先达到一个极大值,然后应力[17]在航天飞行器