哈工大形状记忆聚合物复合材料可展开梁的立项报告.doc

（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 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: Composite Technology Development, Inc.），苯乙烯基形状记忆聚合物(美国CRG公司: Cornerstone Research Group, 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忆聚合物复合材料玻璃态转变温度，由此可以测试这个材料的自动变形功能。2. 测它对热的敏感性能，用不同电压的电源加在电热膜上，测出该材料恢复原型所需的时间，然后比较数据总结。3. 初步测试复合材料梁的振动性能，采用简支梁的形式在自由端部安装加速度传感器，测试梁的简单动态力学性能。 该材料静态力学性能测试：4. 此外，我们还在该材料中加入了碳纤维膜，该纤维增强形状记忆聚合物复合材料在大挠度弯曲变形条件下的屈曲性能，进而使其复合材料结构获得了较大的结构弯曲曲率。方法:我们可以在该物体的表面压上一定重量的物体，进而观察它的曲变度。5. 碳纤维增强的环氧形状记忆聚合物复合材料，其在室温的力学性能与同类常规复合材料相当，其在大挠度弯曲变形条件下呈现纤维屈曲变形模式。在经历多次弯曲变形循环后，其变形回复率较高(5次以内100%，25次以内97%)，且经辐射后(106Gy)，其变形回复能力无明显衰变。方法：我们多次反复的使该材料变形和恢复，观察统计他的变形恢复能力情况。（三）进度安排2012.11-2013.01制作可展开梁的实物2012.10-2012.11材料准备2013.02-2013.4对制作实物进行相关力学测试2013.02-2013.03准备中期检查2013.06结题2013.04-2013.05优化可展开梁的相关性能（四）中期及结题预期目标： 中期目标：2013年1月完成展开梁的基本设计与初步研制，制作出形状记忆聚合物复合材料可展开梁的实物。 考核方式：2013年3月提供基本的形状记忆聚合物复合材料可展开梁的实物，并演示其折叠与展开功能。 结题目标：2013年5月制作出稳定的形状记忆聚合物复合材料可展开梁，对其进行静态与动态力学性能相关测试并获得其相关性能数据，同时完成其优化。 考核方式：2013年6月制作出稳定的形状记忆聚合物复合材料可展开梁，并提供其相关力学实验数据和分析结果。（五）经费使用计划 所需经费及其使用计划：共1，300元 主要用于原料购买和进行试验，包括：1. 形状记忆聚合物环氧树酯800元2. 碳纤维布300元3. 电热膜100元4. 其他材料100元（航天专用固化胶及导线等）（六） 主要参考文献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. 宇航学报. 2012年4月第31卷第4期24页.2 兰鑫. 形状记忆聚合物复合材料及其力学基础研究. 博士学位论文. 2010年 12月119页.3 朱光明. 形状记忆聚合物的发展及应用. 工程塑料应用. 2002年08月.4 潘道成, 张和康, 张隐西. 形状记忆聚合物的原理和应用. 化学世界1990年 12期.5 兰鑫, 冷劲松. 形状记忆复合材料及其在展开结构中的应用, 复合材料学术 会议论文集上册, 2008年.6 邬柱, 复合材料力学性能实验及云纹干涉法现场测试技术研究. 清华大学, 1993年.7 喻春红 陈强 沈健 热致感应型形状记忆聚合物 大学化学 2000年04月8 朱光明. 形状记忆聚合物及其应用. 化学工业出版社. 2002: 129 吕海宝. 电驱动与溶液驱动形状记忆聚合物混合体系及其本构方程. 哈尔滨工业大学博士论文. 201010 陈烈民. 卫星太阳翼展开运动分析. 中国空间科学技术. 1992, 211 马超 形状记忆材料的应用与发展 辽宁化工 2006年1月12 王坤 朱光明 形状记忆聚合物复合材料的研究进展 材料导报 2012年01月13 缪正华; 于月民 ;丁元柱 形状记忆聚合物复合材料梁的弯曲变形 黑龙江科技学院学报 2008年01月14 武秀根; 郑百林; 贺鹏飞; 杨青 增强形状记忆聚合物材料研究进展 材料工程 2006年S115 刘国勤 关春龙; 朱贺 彭进; 张琳琪; 夏绍灵; 王春华 形状记忆聚合物的研究进展 河南化工 2007年07月16 魏堃; 朱光明 热固性环氧树脂形状记忆效应研究 中国胶黏剂 2011年02月