形状记忆聚合物复合材料可展开结构的研究进展

形状记忆聚合物(shape memory polymers,SMPs)作为一种新型的智能材料,在航空航天领域显示出巨大的前景。根据SMPs材料的变形机理、组成及结构将其与一定的增强相进行复合,可设计出具有低成本,展开过程平缓,振动小,高强度,导电性能优良的智能材料。本文主要介绍三种可用于SMPs复合材料展开结构的基体,以及每种基体制备形状记忆展开结构的方法,从宏观结构上对三种SMPs复合材料展开结构进行分类讨论,分析不同种类聚合物形状记忆的机理、力学性能、形状变化的固定率和回复率等,介绍SMPs复合材料在空间可展开结构中的应用。     

基于形状记忆聚合物复合材料航天航空可变形结构技术研究进展

形状记忆聚合物及其复合材料是一种在相应的外界刺激下可以在临时形状和初始形状之间进行切换的智能材料,具有低密度、低成本、可回复变形大,刺激方式可控等优点,在航天航空领域,如:空间可展开结构、锁紧释放机构、变体等,展现出来了巨大的应用潜力。这些应用大多处于开发阶段,一部分完成了地面功能验证,少部分进行了航天实验。本文首先总结了形状记忆聚合物(SMP)和形状记忆聚合物复合材料(SMPC)的分类,以及恶劣的空间环境因素下SMP的性能变化。随后总结了SMPC的空间可展开结构,包括:铰链、桁架、太阳能电池阵;SMPC的解锁释放结构;SMPC的变体结构以及基于4D打印的SMPC可展开结构的潜在应用。最后,对形状记忆材料和结构的发展前景进行了展望。     

弹性记忆复合材料折叠屈曲模式分析

<正>弹性记忆复合材料(Elastic Memory Composites,EMCs)作为空间可展开材料,近年来受到高度关注。由于EMC采用形状记忆聚合物(Shape Memory Polymers,SMPs)作为基体,在其热激活状态下允许出现更高的折叠应变而不对材料本身造成任何破坏。因此,在空间可展开结构如太阳能阵列等中具有广阔的应用前景。与高性能碳纤维小于1%的极限应变相比,EMC材     

电致形状记忆复合材料的制备与性能

以双酚A型氰酸酯(BACE)/聚丁二烯环氧树脂(PBEP)聚合物为基体,超导炭黑(CB)为增强材料,采用模压成型工艺制备形状记忆复合材料。研究炭黑含量对形状记忆复合材料形状记忆性能以及电致效率的影响。结果表明:在所制备样品中形状固定率均为100%,CB含量为2.4%时,导电通路形成,180 V下形状记忆复合材料可完全回复;随着炭黑含量的增加,展开负荷逐渐增加,当CB含量2.6%时,展开负荷达到最大值0.05 MPa。     

短切碳纤维增强环氧树脂形状记忆复合材料的制备与性能研究

为实现形状驱动能耗与复合材料力学性能的最佳配合，本文在热致环氧形状记忆聚合物基体中提高增韧剂新戊二醇二缩水醚（NGDE）含量来降低其玻璃化转变温度，同时添加短切碳纤维（SCF）来抵消由增韧剂引起的刚度降低负面效果。通过实验研究了不同NGDE、SCF含量对复合材料形状记忆转变温度、形状记忆性能和力学性能的影响。结果表明，增加NGDE含量可将环氧聚合物基体的形状记忆转变温度从90 ℃降至43 ℃，其储能模量和弯曲模量也随之降低。在11wt%NGDE上添加SCF后，复合材料的玻璃态储能模量、橡胶态储能模量、弯曲模量最高可提高至原始试样的1.9倍、7倍和2.4倍。     

基于形状记忆聚合物复合材料的双向形状记忆行为

为了解决当前大多形状记忆聚合物仅能实现单向形状记忆效应的难题，将TDE-86环氧树脂改性的氢化双酚A型形状记忆环氧树脂和以聚丁二烯为软段的聚氨酯弹性体相结合，制备了一种具备层合结构的形状记忆聚合物复合材料。该复合材料通过形状记忆环氧树脂产生的回复力与预拉伸聚氨酯弹性体产生的收缩力之间的平衡从而实现无应力下的双向形状记忆行为，即在90～110℃温度范围内，加热弯曲而冷却反向弯曲。结果表明：聚氨酯弹性体预拉伸量越大，材料在整个温度范围内的弯曲程度也越大；当回复温度在形状记忆环氧树脂玻璃化温度及以上时，材料回复程度较大；增加聚氨酯弹性体厚度会增大材料初始的弯曲程度，但会减小材料在双向形状记忆过程中的变形和回复程度。     

大型空间可展开天线结构的主动振动控制

利用内置压电元件的主动构件作为作动器,对大型空间可展开天线结构进行了振动主动控制的研究。分析了含压电单元的空间天线结构的振动主动控制的原理和方法,采用独立模态控制法对可展开天线结构实施主动控制。并且基于作动器的模态影响矩阵对作动器进行了优化布置,使其效能达到最大。最后采用LQR方法对结构进行控制,应用Matlab软件对该压电结构进行仿真实验控制。仿真的结果表明,通过振动主动控制明显增加了可展开天线结构的结构阻尼,取得了十分有效的振动抑制效果。     

基于IPMC材料的柔性抓捕机构设计

为克服传统空间飞行器在轨抓捕机构传动链多,耗能大,结构复杂等缺点,基于离子聚合物金属复合材料(IPMC)驱动电压低的特点,研制了一款五指柔性抓捕机构。通过修饰IPMC的端部,有效增加了抓捕机构的工作长度和粘附力,IPMC的柔顺特性使其在抓取物体时会贴附于被抓物体表面不会破坏物体表面结构。抓捕机构在直流±3 V的驱动电压下能够实现内收和外翻两种不同方式的抓取,消耗功率小、结构简单、操作方便,可行性得到了验证,有望应用于空间飞行器的在轨捕获系统。     

47121钛合金紧固件的初步研究

一、紧固件的类型与材料的选择目前碳纤维复合材料(以下简称复合材料)结构的连接仍以机械连接为主。参照国外复合材料结构所采用的紧固件,我们选择了高锁螺栓作为研究对象。这种新型紧固件具有强度高、重量轻、成本低、装配简单、效率高、噪音小等特点,同时可获得较高的可控制预紧力,有自锁能力,可在较小的空间进行单面安装,并能提高复合材料迭层板     

形状记忆复合材料的最新研究进展

综述了2009 年以来国内外在形状记忆复合材料方面的最新研究进展,重点介绍了热致感应型、

电致感应型形状记忆复合材料的情况。在热致感应型中,出现了双向记忆复合材料。应用方面,研究人员发现

形状记忆复合材料可以应用于复合材料结构的自修复。同时总结了国、内外科研机构在该领域的研究走向,指

出了形状记忆复合材料在应用方面遇到的瓶颈问题,并提出对未来发展的建议。

     

连续增强型热塑性复合材料的振动焊

连续纤维增强复合材料用于航空航天、汽车制造及其他多种工业领域。先熔化再固化的性能使热塑性复合材料可采用振动焊进行连接。在此项研究中 ,振动焊用于连接玻璃纤维编织增强型聚丙烯板材。研究所得到的有效焊接参数 ,诸如熔化、焊接压力及接头几何形状等 ,已证明振动焊可用于连接高增强复合材料 ,而且其焊接强度接近于短纤维复合材料的焊接强度。连续增强型热塑性复合材料的振动焊@蓝天     

工艺技术

连续增强型热塑性复合材料的振动焊连续纤维增强复合材料用于航空航天、汽车制造及其他多种工业领域。先熔化再固化的性能使热塑性复合材料可采用振动焊进行连接。在此项研究中，振动焊用于连接玻璃纤维编织增强型聚丙烯板材。研究所得到的有效焊接参数，诸如熔化、焊接压力及接头几何形状等，已证明振动焊可用于连接高增强复合材料，而且其焊接强度接近于短纤维复合材料的焊接强度。工艺技术     

智能材料与结构

正飞行器结构的轻质、高可靠性、高维护性、高生存能力对航空科学技术提出了新要求,而智能材料结构所具有的自诊断、自修复、减振降噪等能力很好地适应了这些要求。目前对形状记忆材料、智能复合材料、智能蒙皮、自适应机翼等也已展开了广泛的研究与应用。     

空间碎片柔性防护结构超高速撞击试验研究

针对由多层柔性复合材料制成的柔性防护屏构成的空间碎片柔性防护结构的防护效果问题,进行了超高速撞击试验和撞击损伤测试分析,得到了芳纶纤维布、芳纶环氧复合材料及铝合金多屏防护结构的空间碎片防护性能,结果表明:柔性防护结构具有较高的折叠效率(展开折叠比≥8),能有效减小防护结构的发射体积;柔性防护结构展开后,可显著增加防护结构的防护屏数和屏间距,能显著提高其防护性能;在碎片撞击速度3.5 km/s时,柔性防护结构可以达到与相同面密度铝合金防护结构相当的防护能力。该柔性防护结构可为空间舱站、卫星等航天器碎片防护提供一条有效的解决途径。     

刚性基体高应变复合材料在空间可展结构中的应用及发展

梳理了空间可展结构的分类及发展趋势，从铰接可展结构-带簧铰链、杆状可展结构、面状可展结构及体可展结构四个方面调研了刚性基体高应变复合材料在空间可展结构中的应用现状，从力学和黏弹性特性方面提出了其在可展结构中的应用优势及需要考虑的问题。高模量、低密度、低膨胀系数的刚性基体高应变复合材料是空间可展结构的应用方向，而刚性基体高应变复合材料可展结构的设计方法，以及将其用于大尺寸可展结构的低成本和高精度制造工艺仍有很大的探索空间。     

先进复合材料构件成型模具和工装技术发展趋势

在分析先进复合材料构件成型过程和工艺特性的基础上,分别从满足先进复合材料构件成型压力、温度和真空度以及构件质量和工艺可行性等方面,综述了膨胀橡胶、殷钢、碳泡沫、碳毡、形状记忆高分子和水溶性材料等模具和工装的特点和应用状况.     

4D打印技术的研究进展

4D打印是实现对智能材料的增材制造技术。本文基于复合材料、形状记忆聚合物、形状记忆合金等材料简要综述了4D打印智能材料的研究进展。目前复合材料的4D打印向着多材料精确复合、响应速度快、成形材料功能化等方向发展;4D打印形状记忆聚合物则朝着形态可控、实现特定动作等方向发展;4D打印形状记忆合金,目前向着相转变行为精确调控、变形可控等方向发展。由于目前4D打印形状记忆合金存在诸多未解决的问题,本文提出了获得近全致密4D打印形状记忆合金需考虑的因素;成形孔隙对其综合性能的影响;组织性能调控;变形控制;性能指标调节的冗余度问题;需要突破的科学问题等相关思考。总体而言,随着新型原材料、成形方法、控制软件和机器精度的不断发展,4D打印技术发展迅速,正逐步走向智能化、精确化和高效化。     

聚合物/纳米复合材料的制备、性能及其应用展望

介绍了纳米粒子的表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应等特性，聚合物/纳米复合材料的概念和结构性能；综述了聚合物/纳米复合材料的几种常用制备方法；总结了由于纳米粒子的存在聚合物/纳米复合材料在力学、光、电、磁等方面呈现出常规材料不具备的特性，并结合其特性展望了聚合物/纳米复合材料的应用前景。     

复合材料构件数字化设计制造

在飞机上应用复合材料为设计者开发轻型飞机结构提供了更广阔的空间,并且复合材料的层合结构及其性能的可设计性使其可以设计出各向同性材料无法达到的气动性能.因此,复合材料日益受到航空航天等领域的青睐,现已成为新一代飞机机体结构四大主要材料之一.     

碳纳米管增强复合材料研究进展

介绍了碳纳米管的结构、性能等特点，综述了碳纳米管在金属基复合材料、聚合物基复合材料和陶瓷基复合材料中的应用研究情况，并对今后碳纳米管复合材料的发展趋势进行了展望。