楊菁　郭培俊　鄧力偉　陳俊

摘 要：當(dāng)前，不同國(guó)家對(duì)于智能材料的結(jié)構(gòu)研究，都著重于形狀記憶聚合物材料方面。由于形狀記憶聚合物復(fù)合材料，有著較為良好的熱塑性、熱固性特征，其在桁架、懸臂梁等大型空間結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用。該文主要探討纖維增強(qiáng)的形狀記憶聚合物復(fù)合材料，在空間可展開結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，通過對(duì)復(fù)合材料玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg的控制，可以滿足多種可展開結(jié)構(gòu)的使用需求。

關(guān)鍵詞：纖維增強(qiáng)形狀記憶聚合物 復(fù)合材料 空間可展開結(jié)構(gòu) 應(yīng)用

中圖分類號(hào)：U416 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）01（c）-0078-02

形狀記憶聚合物復(fù)合材料，是我國(guó)工程學(xué)科常用到的建筑施工材料，但單純形狀記憶聚合物在材料強(qiáng)度、剛度等方面性能較差，而纖維增強(qiáng)形狀記憶聚合物有著較為優(yōu)良的強(qiáng)度與變形回復(fù)力。桁架作為可展開結(jié)構(gòu)的支撐平臺(tái)，其中用到的鉸接頭、鉸鏈驅(qū)動(dòng)器等，即為纖維增強(qiáng)形狀記憶聚合物復(fù)合材料，這一材料能保證桁架結(jié)構(gòu)的打開與折疊收攏，也有著更高的可靠性、穩(wěn)定性。

1 形狀記憶復(fù)合材料與纖維增強(qiáng)形狀記憶聚合物復(fù)合材料的特性

1.1 形狀記憶聚合物復(fù)合材料的特性

形狀記憶復(fù)合材料具有變形回復(fù)力大、應(yīng)變力大特征，但由于形狀記憶復(fù)合材料在承受較大應(yīng)力狀態(tài)下，其應(yīng)變能力無法滿足材料自身的變形恢復(fù)要求，因此要進(jìn)行形狀記憶聚合物復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的研究。當(dāng)前我國(guó)所研究的形狀記憶復(fù)合材料，主要包括粉鏈狀復(fù)合材料、短纖維增強(qiáng)形狀記憶復(fù)合材料、纖維增強(qiáng)形狀記憶復(fù)合材料等，其中纖維增強(qiáng)形狀記憶聚合物復(fù)合材料，是該研究的重點(diǎn)方向。

現(xiàn)階段空間可展開桁架結(jié)構(gòu)，通常包含梁體、鉸鏈驅(qū)動(dòng)器、對(duì)角拉索和鉸接頭等組成構(gòu)架，其中鉸接頭、鉸鏈驅(qū)動(dòng)器等，是利用形狀記憶復(fù)合材料進(jìn)行展開與折疊的空間結(jié)構(gòu)。在運(yùn)用鉸鏈驅(qū)動(dòng)器對(duì)桁架空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行展開過程中，會(huì)對(duì)其支撐的電池板、衛(wèi)星等航天器產(chǎn)生沖擊，所以將纖維增強(qiáng)形狀記憶聚合物復(fù)合材料應(yīng)用到空間可展開結(jié)構(gòu)中，可以有效增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)剛度、應(yīng)變力，保證桁架結(jié)構(gòu)展開與折疊的可靠性、穩(wěn)定性。

1.2 纖維增強(qiáng)形狀記憶聚合物復(fù)合材料的特性

纖維增強(qiáng)形狀記憶復(fù)合材料在無熱力或力學(xué)作用情況下，材料本身有著較高的強(qiáng)度、力學(xué)承載性能，但其主動(dòng)變形、變形回復(fù)力性能較弱。而隨著碳纖維增強(qiáng)形狀記憶復(fù)合材料的研究，形狀記憶復(fù)合材料本身的形狀恢復(fù)力開始增強(qiáng)，并廣泛應(yīng)用到空間可展開桁架結(jié)構(gòu)中，其具有的熱力學(xué)機(jī)械變形過程如圖1所示。根據(jù)圖1可以看出，碳纖維增強(qiáng)形狀記憶復(fù)合材料，會(huì)在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg的影響下，發(fā)生相應(yīng)彎曲變形與回復(fù)。當(dāng)環(huán)境溫度T

2 空間可展開桁架結(jié)構(gòu)與形狀記憶鉸接頭設(shè)計(jì)

2.1 空間可展開桁架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

桁架作為多種工業(yè)建造物或航天器的支撐平臺(tái)，主要包括梁體、鉸鏈驅(qū)動(dòng)器、對(duì)角拉索和鉸接頭等組成結(jié)構(gòu)，具體如圖2所示。橫梁、縱梁等梁體結(jié)構(gòu)通常使用樹脂基復(fù)合材料，進(jìn)行整個(gè)桁架薄壁桿結(jié)構(gòu)的搭建，樹脂基復(fù)合材料有著優(yōu)良的剛度、形變特性，能夠承載大軸向與壓力。而鉸鏈驅(qū)動(dòng)器和對(duì)角拉索等構(gòu)件，則分別采用鋁合金、鋼絲繩材料制成，其中鉸鏈驅(qū)動(dòng)器可以有效保障，對(duì)角拉索連接兩個(gè)固體之間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)角拉索主要起到維持桁架均勻張力和應(yīng)力，以及提升可展開桁架結(jié)構(gòu)剛度的作用。最后鉸接頭是鉸鏈驅(qū)動(dòng)器的連接環(huán)節(jié)，也是整個(gè)桁架結(jié)構(gòu)中唯一使用形狀記憶復(fù)合材料的部分，主要負(fù)責(zé)桁架結(jié)構(gòu)展開、折疊收攏動(dòng)作的完成。在鉸接頭被加熱至Tg以上時(shí)，其本身會(huì)由于外力作用發(fā)生可控形變，使桁架結(jié)構(gòu)逐漸收攏，溫度降低后維持此形態(tài)不變。而當(dāng)環(huán)境溫度再次升高至Tg以上后，鉸接頭會(huì)回復(fù)至原始狀態(tài)，桁架結(jié)構(gòu)也會(huì)在其作用下展開。

2.2 形狀記憶聚合物鉸接頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過以上分析可以得出，桁架鉸接頭是由形狀記憶聚合物復(fù)合材料制作而成，其會(huì)在電加熱或其他熱力學(xué)因素作用下，而發(fā)生剛度、強(qiáng)度或可恢復(fù)形變性能的變化。因此形狀記憶聚合物鉸接頭材料，通常包含形狀記憶聚合物復(fù)合材料層、電加熱層、外部防護(hù)層等層級(jí)組成，其中電加熱層主要用于傳導(dǎo)外界加熱的能量，而形狀記憶聚合物復(fù)合材料層會(huì)在加熱使發(fā)生形變，并支撐整個(gè)桁架結(jié)構(gòu)的展開、折疊。其中電加熱層是上、下都覆蓋金屬加熱膜的三層結(jié)構(gòu)，具有絕緣性、耐溫性優(yōu)良的特征。鉸接頭的形狀記憶復(fù)合材料層、加熱膜與芯模存在著緊密連接，通過螺釘來完成不同零件的組合。

3 纖維增強(qiáng)形狀記憶復(fù)合材料在空間可展開結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究

在以環(huán)氧樹脂為基體、碳纖維為增強(qiáng)材料，采用0°/90°/0°鋪層方式，進(jìn)行1mm形狀記憶復(fù)合材料的制備，可以保證形狀記憶聚合物復(fù)合材料均勻承受橫向、軸向等方面作用力。在利用纖維增強(qiáng)形狀記憶復(fù)合材料，進(jìn)行空間可展開結(jié)構(gòu)搭建的過程中，需要先對(duì)形狀記憶復(fù)合材料加熱，加熱溫度為114℃（玻璃化轉(zhuǎn)變溫度94℃），降溫后保持該復(fù)合材料的折疊構(gòu)型。之后再次對(duì)形狀記憶復(fù)合材料進(jìn)行升溫操作，溫度上升至114℃，片材形狀開始逐漸恢復(fù)至原始狀態(tài)（非勻速恢復(fù)），形狀記憶復(fù)合材料恢復(fù)過程基本在60s后完成恢復(fù)。

而大型可展開桁架結(jié)構(gòu)由于其整體體積大、重量輕，所以其受到空間重力的影響大。因此需要通過桁架結(jié)構(gòu)的多點(diǎn)懸掛方式，來抵消掉桁架展開過程中自身摩擦、重力等要素，對(duì)桁架應(yīng)力、可恢復(fù)形變的影響。空間可展開桁架在懸掛框架的懸掛點(diǎn)上，設(shè)置有相隔較遠(yuǎn)的數(shù)個(gè)鉸接頭，對(duì)這些鉸接頭進(jìn)行溫度上升、下降的控制工作，可以保證桁架展開、折疊收攏流程的實(shí)現(xiàn)。在空間可展開桁架結(jié)構(gòu)收攏的情況下，對(duì)桁架鉸接頭進(jìn)行升溫操作，溫度升高至114℃，這時(shí)相鄰兩懸掛點(diǎn)間的橫梁，會(huì)沿著桁架縱軸進(jìn)行120°左右的扭轉(zhuǎn)變形。而在桁架鉸接頭溫度下降至Tg=94℃以下后，桁架會(huì)保持其現(xiàn)有扭轉(zhuǎn)形態(tài)。之后再將桁架鉸接頭溫度上升至114℃，鉸接頭會(huì)按照原有的扭轉(zhuǎn)變形，逐漸恢復(fù)至原始構(gòu)型狀態(tài)（非勻速）。通過對(duì)可展開桁架結(jié)構(gòu)的鉸接頭，進(jìn)行10次形變回復(fù)的循環(huán)操作，得出該纖維增強(qiáng)形狀記憶復(fù)合材料的形變恢復(fù)率達(dá)到97%以上，因此其可以滿足大型可展開桁架結(jié)構(gòu)的工作需求。

4 結(jié)語(yǔ)

在非均勻溫度場(chǎng)或外力等作用下，形狀記憶聚合物材料會(huì)在一定時(shí)間內(nèi)，發(fā)生10%～100%的變形。對(duì)于大型桁架空間可展開結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，需要用到形狀記憶聚合物復(fù)合材料，且對(duì)其強(qiáng)度、剛度和熱力學(xué)性能提出較高要求。因此通過纖維增強(qiáng)形狀記憶聚合物復(fù)合材料，應(yīng)用到桁架空間可展開結(jié)構(gòu)的鉸鏈驅(qū)動(dòng)器、鉸接頭等部件中，能夠有效減少桁架重力、自身摩擦力等，對(duì)桁架應(yīng)力、可回復(fù)形變?cè)斐傻呢?fù)面影響，提高桁架在短時(shí)間內(nèi)展開與收攏的效率，并為輕量化、大型化可展開空間結(jié)構(gòu)的構(gòu)建提供相應(yīng)參考。

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