趙 偉 劉立武 孫 健 冷勁松 劉彥菊

（1 哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天科學(xué)與力學(xué)系，哈爾濱 150001）

（2 哈爾濱工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)研究所，哈爾濱 150001）

文 摘 形狀記憶聚合物及其復(fù)合材料是一種在相應(yīng)的外界刺激下可以在臨時形狀和初始形狀之間進(jìn)行切換的智能材料，具有低密度、低成本、可回復(fù)變形大，刺激方式可控等優(yōu)點(diǎn)，在航天航空領(lǐng)域，如：空間可展開結(jié)構(gòu)、鎖緊釋放機(jī)構(gòu)、變體等，展現(xiàn)出來了巨大的應(yīng)用潛力。這些應(yīng)用大多處于開發(fā)階段，一部分完成了地面功能驗(yàn)證，少部分進(jìn)行了航天實(shí)驗(yàn)。本文首先總結(jié)了形狀記憶聚合物（SMP）和形狀記憶聚合物復(fù)合材料（SMPC）的分類，以及惡劣的空間環(huán)境因素下SMP 的性能變化。隨后總結(jié)了SMPC 的空間可展開結(jié)構(gòu)，包括：鉸鏈、桁架、太陽能電池陣；SMPC 的解鎖釋放結(jié)構(gòu)；SMPC 的變體結(jié)構(gòu)以及基于4D 打印的SMPC 可展開結(jié)構(gòu)的潛在應(yīng)用。最后，對形狀記憶材料和結(jié)構(gòu)的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

0 引言

自20世紀(jì)80年代發(fā)現(xiàn)形狀記憶聚合物（SMP）以來，國際上對該聚合物形狀記憶效應(yīng)（SME）的研究興趣迅速增長。SMP 是一種具有刺激響應(yīng)能力的智能材料，在相應(yīng)的外部刺激的作用下可以產(chǎn)生很大的可回復(fù)變形［1?3］。在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）以下SMP相對較硬，模量較大，而在Tg以上，SMP 模量較小，相對較軟［4?5］。在Tg以上通過施加外力，SMP 可以被賦形成任意的臨時形狀，當(dāng)冷卻并去除這種外力時，它們的臨時形狀可以長時間保持。然而，當(dāng)再次加熱后，它們會由臨時形狀回復(fù)到初始形狀。

SMP不僅可以感應(yīng)熱刺激，還可以響應(yīng)包括磁［6?8］、光［9?10］、溶液［11］等的刺激。SMP存在許多潛在的優(yōu)勢，例如：與形狀記憶合金（SMA）和形狀記憶陶瓷相比具有更大的可回復(fù)變形、密度低、性能可調(diào)（Tg、模量、生物降解性等），最重要的是成本低?；谏鲜鰞?yōu)點(diǎn)，SMP、形狀記憶聚合物復(fù)合材料（SMPC）以及具備更多功能特性的新型SMP相繼被開發(fā)出來。例如，結(jié)合納米技術(shù)，各種SMP材料被開發(fā)出來以滿足生物醫(yī)學(xué)、傳感器、致動器或紡織品的特定需求。此外，大多數(shù)傳統(tǒng)的可展開裝置的結(jié)構(gòu)均比較復(fù)雜，包含大量的連桿、鉸鏈和電機(jī)，成本高昂，控制復(fù)雜。而SMP和SMPC集傳感、驅(qū)動、功能于一體，以其輕質(zhì)、低廉的優(yōu)勢，在航天航空領(lǐng)域逐漸發(fā)揮作用。目前，SMP和SMPC已經(jīng)廣泛應(yīng)用于空間可展開結(jié)構(gòu)，包括鉸鏈、桁架、可展開電池陣以及可變翼的變形蒙皮等。本文對SMP、SMPC及其在航天航空可變形結(jié)構(gòu)的應(yīng)用進(jìn)行系統(tǒng)、全面的概述。

1 典型形狀記憶聚合物材料簡介

與SMA 相比，SMP 具有質(zhì)量輕、價格低廉、密度低、可塑造性好、變形能力強(qiáng)、可降解性好以及Tg可調(diào)等優(yōu)勢。據(jù)文獻(xiàn)［2］報道，SMP 的應(yīng)變可高達(dá)600%，相比之下，SMA、形狀記憶陶瓷和玻璃的最大可回復(fù)應(yīng)變分別小于10%、1%和0.1%。SMP 與SMA 相比，驅(qū)動力較小，但是其可回復(fù)應(yīng)變較大，然而其低變形剛度和低回復(fù)應(yīng)力在一定程度上限制了該類材料的應(yīng)用［12?13］。為了克服這些缺陷，SMPC 被開發(fā)出來并在實(shí)際應(yīng)用中得到了發(fā)展。SMPC 具有更高的強(qiáng)度和模量，通過添加某些填料可以賦予其相應(yīng)的功能。另外，一些多功能形狀記憶材料，包括功能梯度SMP、雙向SMP、自愈合SMP 和SMP 泡沫材料等也相繼被開發(fā)出來。表1列出了SMA、SMP 和SMPC的主要性能。

表1 SMA、SMP與SMPC的性能比較Tab.1 Performance comparison of SMA，SMP and SMPC

根據(jù)增強(qiáng)材料的類型，一般可分為顆粒增強(qiáng)SMPC 和纖維增強(qiáng)SMPC。顆粒增強(qiáng)SMPC，其增強(qiáng)相為鎳粉、炭黑、碳納米管和Fe3O4納米顆粒等，多用于功能材料。纖維增強(qiáng)SMPC，其增強(qiáng)相包括碳纖維、玻璃纖維和凱夫拉爾纖維等，由于其良好的力學(xué)性能，通常被用作結(jié)構(gòu)材料。對SMPC 的研究表明，SMPC 具有較高的強(qiáng)度、較大的回復(fù)力和較高的阻尼等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于紡織、微電子、生物醫(yī)學(xué)、航天航空等領(lǐng)域。表2概述了不同增強(qiáng)相對SMP 性能的影響。

表2 不同增強(qiáng)相對SMP性能的影響Tab.2 Influence of different enhancement on the properties of SMP

基于不同的分子交聯(lián)結(jié)構(gòu)，SMP/SMPC 可分為熱塑性和熱固性兩種類型，而航天航空用的SMP 應(yīng)該具有高模量，較高的Tg和環(huán)境耐久性。表3列舉了常見的航天航空用SMP以及相應(yīng)的研究單位。

表3 常見的航天航空用SMP材料Tab.3 Common SMP materials for aerospace applications

航天航空用的材料需要滿足一系列的空間惡劣環(huán)境的考驗(yàn)，如高真空、熱循環(huán)、紫外線輻射、原子氧、等離子體環(huán)境（離子和電子）、空間碎片等都有可能引起材料的退化，誘發(fā)元件或結(jié)構(gòu)的損傷，降低系統(tǒng)的可靠性，甚至縮短航天器的使用壽命。表4列舉了SMP 在真空環(huán)境中的性能變化。此外，哈爾濱工業(yè)大學(xué)智能材料和結(jié)構(gòu)研究團(tuán)隊(duì)對擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的航天航空用SMP?CRIV［41］和SMCTPI［42］材料進(jìn)行了高真空、熱循環(huán)、紫外線輻射、原子氧等一系列測試。在真空度為5.4×10?4Pa 的條件下對SMCTPI［43］進(jìn)行了熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)，其溫度變化范圍為?170 ～+170 ℃，循環(huán)次數(shù)分別為0、10、30 和50 次。傅里葉變換紅外（FTIR）光譜實(shí)驗(yàn)表明，該材料經(jīng)熱循環(huán)后官能團(tuán)沒有發(fā)生變化，形狀記憶循環(huán)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，形狀固定性和回復(fù)率沒有顯著改變。對SMP?CRIV［41］和SMCTPI［42］進(jìn)行了紫外輻照實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明經(jīng)輻照后，材料表面顏色變暗、透明度降低；SMCTPI的Tg不變，SMP?CRIV 在3 000等效太陽小時的輻照條件下Tg降低7°C；SMCTPI 的抗拉伸強(qiáng)度和伸長率在輻照600 h 后分別下降了40.5% 和41.79%。然而，紫外輻射未改變材料的化學(xué)鍵類型，且形狀記憶性能保持穩(wěn)定。在輻照能為5 eV、輻照通量>2×1015AO cm–2s–1的條件下，對SMPEP［42］分別進(jìn)行了33、66 和100 h 下的空間輻照實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明材料的Tg升高3 ℃，力學(xué)性能隨輻射劑量呈下降趨勢。在輻照能為5 eV、輻照通量>5×1015AO cm–2s–1的條件下，對SMCTPI［43］分別進(jìn)行了相同輻照時長的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明該材料的Tg下降1.6 ℃，但力學(xué)性能相對穩(wěn)定。但是，實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明兩種材料的表面粗糙度均隨著AO輻射劑量的增加而增大。

表4 真空環(huán)境下SMP的性能變化Tab.4 SMP performance under vacuum environment

2 空間展開結(jié)構(gòu)和鎖緊釋放機(jī)構(gòu)

2.1 空間展開結(jié)構(gòu)

目前，SMP/SMPC在航天航空領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)得到了廣泛的研究，包括桁架、太陽能電池板等。Tembo?EMC為美國CTD 公司開發(fā)的彈性記憶復(fù)合材料（Elastic memory composite，EMC），為了驗(yàn)證該材料的應(yīng)用前景，CTD公司開發(fā)了一種形狀記憶鉸鏈，并研究了截面形狀、末端固定裝置形狀以及驅(qū)動方法等。結(jié)果表明，兩個圓弧狀的EMC層合板對接，通過兩個45°角的端部夾具固定以及嵌入加熱電阻進(jìn)行焦耳加熱驅(qū)動其展開是鉸鏈的理想狀態(tài)［40］，如圖1所示。

圖1 Tembo?EMC鉸鏈［40］Fig.1 Tembo?EMC hinge［40］

2016年，LI等［44］研發(fā)了一種基于碳纖維增強(qiáng)的SMPC太陽能陣列柔性基板原型（SMS?I），如圖2（a）所示。SMS?I由一顆實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星帶到地球同步軌道進(jìn)行展開性能測試和長期反輻照觀測。該結(jié)構(gòu)的初始形狀為平板狀，發(fā)射之前對其進(jìn)行折疊以減小空間占比，其基體材料為環(huán)氧基SMP，Tg為85.4°C。發(fā)射13 d后該結(jié)構(gòu)在太陽輻照的作用下逐漸回復(fù)到其初始形狀，回復(fù)率接近100%。8個月后，SMPC仍舊保持平直形態(tài)，無明顯裂縫，表現(xiàn)出了良好的長期抗輻照能力。SMS?I是中國開創(chuàng)性的關(guān)于SMPC 的軌道實(shí)驗(yàn)，也是世界上第一個SMPC地球同步軌道實(shí)驗(yàn)。該結(jié)構(gòu)的成功部署表明了SMPC自展開機(jī)構(gòu)用于空間可展開結(jié)構(gòu)的可行性。2019年，LAN等［45］在沒有使用傳統(tǒng)的電火工品和電機(jī)/控制器的情況下，對SMPC 可展開柔性太陽能電池板系統(tǒng)（SMPC?FSAS）進(jìn)行了研究開發(fā)、地面測試和在軌驗(yàn)證。如圖2（b）所示，SMPC?FSAS包括一對可卷曲、可變剛度的環(huán)氧SMPC管狀結(jié)構(gòu)，一對基于氰酸酯基SMPC的鎖緊釋放機(jī)構(gòu)，中間為一塊柔性太陽能電池板。由環(huán)氧基SMPC制備的可變剛度梁為整個結(jié)構(gòu)的框架，同時作為柔性太陽能電池陣列的執(zhí)行器。由氰酸酯SMPC制備的鎖緊釋放機(jī)構(gòu)，具有高鎖緊剛度，可承受50g重力加速度和10 mm 的大解鎖位移。2020年1月5日，SMPC?FSAS在地球同步軌道上成功解鎖和部署，一對基于環(huán)氧樹脂的SMPC變剛度管，與柔性太陽能電池陣列相配合，緩慢展開，最終在加熱的情況下60 s內(nèi)其形狀回復(fù)率接近100%。該結(jié)構(gòu)是世界首個基于SMPC的柔性太陽能陣列系統(tǒng)在軌展示，將促進(jìn)下一代釋放機(jī)構(gòu)和空間可展開結(jié)構(gòu)的研究，如具有低沖擊和可重復(fù)使用的新型釋放機(jī)構(gòu)和超大空間可展開太陽能陣列。

圖2 柔性太陽能電池板系統(tǒng)Fig.2 Flexible solar panel system

基于SPMC 的智能鉸鏈具有自鎖、部署可控、沖擊小等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)地面高剛度鎖定，入軌時主動驅(qū)動展開，集“解鎖、驅(qū)動、鎖定”三種功能于一身。目前，仍有許多研究人員專注于開發(fā)SMPC 鉸鏈以及基于SMPC 鉸鏈的空間可展開結(jié)構(gòu)。有些目前雖未進(jìn)行空間驗(yàn)證，但它們的應(yīng)用前景非常廣闊。LIU等［46］開發(fā)了一種基于SMPC 鉸鏈的太陽能電池板原型（SMS?Ⅲ），裝配在一顆試驗(yàn)衛(wèi)星上。SMS?Ⅲ已通過機(jī)械振動測試、熱真空測試和展開測試等所有的地面功能驗(yàn)證。如圖3（a）所示，在該電池板的兩側(cè)分別裝配有彎曲90°的鉸鏈和彎曲180°的鉸鏈各兩個，每塊電池板的質(zhì)量為2.5 kg。通過氦氣球懸掛法抵消結(jié)構(gòu)的重力，先后對彎曲90°的鉸鏈和彎曲180°的鉸鏈進(jìn)行了失重條件下的展開實(shí)驗(yàn)。通過電熱膜進(jìn)行加熱驅(qū)動，該結(jié)構(gòu)依次展開，驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)的空間可展開性能。LI等［47］研制了一種在頂部加端部載荷的空間可展開桁架結(jié)構(gòu)，如圖3（b）所示。該結(jié)構(gòu)的三級可伸長套筒作為桁架的主體框架，相鄰的套筒之間采用以120°圓心角環(huán)套筒呈圓周分布的SMPC柔性鉸鏈連接。套筒中心采用特殊的鎖緊釋放裝置固定收縮狀態(tài)下的構(gòu)型，桁架的頂端裝載有1.3 kg的載荷。鉸鏈?zhǔn)褂锰祭w維增強(qiáng)氰酸酯基SMPC 制備，在航天器發(fā)射和上升階段，SMPC 鉸鏈被折疊成U形。當(dāng)航天器到達(dá)指定位置時，首先通過加熱使鎖緊釋放裝置解鎖，使SMPC 鉸鏈溫度升高至195 ℃以上，該結(jié)構(gòu)將會在鉸鏈的驅(qū)動下回復(fù)到其工作狀態(tài)。振動實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)頂部載荷為1.3 kg 時，該桁架可承受8g的正弦掃頻振動，加速度實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該桁架在三個正交方向上均能承受10g的加速度，通過1 600g的沖擊實(shí)驗(yàn)表明該桁架具有良好的抗沖擊性能。

圖3 基于SMPC鉸鏈的可展開結(jié)構(gòu)Fig.3 Deployable structure based on SMPC hinge

LIU等［48］提出了一種碳纖維增強(qiáng)的環(huán)氧基SMPC一體化鉸鏈設(shè)計方案，并研制了一種新型可展開結(jié)構(gòu)。該鉸鏈由一個完整的SMPC 管制備而成，在結(jié)構(gòu)的彎曲區(qū)域?qū)⑵淝懈畛蓛蓚€長度為100 mm、圓弧角度為120°的弧形對稱曲板，實(shí)現(xiàn)了SMPC鉸鏈的一體化設(shè)計。與一般可展開機(jī)構(gòu)相比，新型可展開機(jī)構(gòu)具有更高的可靠性和更好的展開性能，能夠在60 s內(nèi)從180°展開到0°，并且展開后其剛度和強(qiáng)度更高，其展開過程如圖4所示。

圖4 基于SMPC的一體化鉸鏈可展開桁架［48］Fig.4 Integrated hinged deployable truss based on SMPC［48］

2.2 鎖緊釋放機(jī)構(gòu)

傳統(tǒng)的基于火工品的解鎖釋放裝置被廣泛用于與運(yùn)載火箭分離和太陽能電池板的部署，但是該分離技術(shù)通常伴隨著高沖擊和高污染的特點(diǎn)［49?50］。隨后，SMA 被用作衛(wèi)星、航天器、航天飛機(jī)和空間站的解鎖裝置［51］。但是基于SMA的解鎖裝置的缺陷仍不可忽視，并且往往設(shè)計都比較復(fù)雜、價格昂貴，這極大的限制了其應(yīng)用。KEITH 等［52］提出了一種由交叉纖維制成的基于SMPC 的熱驅(qū)動解鎖釋放機(jī)構(gòu)。該裝置在降低質(zhì)量、結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和成本方面表現(xiàn)出了巨大的潛力，但是其解鎖效果并不理想。2015年，WEI等［53］提出了一種基于SMPC 的新型智能八角形、蓮花形和竹子形的解鎖釋放裝置，集功能、結(jié)構(gòu)于一體，解鎖方便。其中，智能八角形裝置采用扭轉(zhuǎn)變形作為其部署機(jī)制，通過將內(nèi)筒和外筒以22.5°的扭轉(zhuǎn)角將二者耦合在一起［圖5（a）］。如圖5（b）所示，蓮花形解鎖釋放裝置由不同直徑的內(nèi)筒和外筒組成，在兩個筒的頂端切割成8 個長度為13.5 mm 的弧形可變形扣。將內(nèi)筒和外筒的扣分別向不同的方向彎曲，便獲得了該結(jié)構(gòu)在鎖定時的構(gòu)型。如圖5（c）所示，基于竹子形的解鎖釋放裝置同樣由內(nèi)筒和外筒組成，利用特殊的裝置將內(nèi)筒和外筒的頂端調(diào)整成具有明顯直徑差的構(gòu)型，并組裝到一起。這三種結(jié)構(gòu)分別利用的扭轉(zhuǎn)變形、彎曲變形和收縮變形作為鎖緊和釋放的機(jī)制，通過電加熱均可以在30 s 內(nèi)完成其解鎖過程。但是由于該結(jié)構(gòu)的鎖緊機(jī)制限制，僅僅適用于承載不超過1 kN的場合。

圖5 基于SMP的解鎖釋放機(jī)構(gòu)［53］Fig.5 Releasing device based on SMP［53］

為了提高解鎖釋放機(jī)構(gòu)的承載能力，冷等［54］提出了一種基于纖維纏繞技術(shù)的高承載壓縮型解鎖釋放機(jī)構(gòu)，如圖6（a）所示。該機(jī)構(gòu)同樣由內(nèi)筒和外筒構(gòu)成，通過在該機(jī)構(gòu)上面配置壓痕，調(diào)節(jié)壓痕的數(shù)量和尺寸便可以調(diào)節(jié)其承載力。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該結(jié)構(gòu)的承載力可高達(dá)10 kN。ZHAO等［55］通過對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計了一種“沙漏型”低沖擊鎖緊釋放裝置，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖6（b）所示。該結(jié)構(gòu)的內(nèi)芯采用金屬制備而成，外筒為SMP 或者SMPC。鎖定時，將外套筒按照內(nèi)芯上的凹陷進(jìn)行壓縮；分離時，對外部套筒的凹陷部位進(jìn)行局部加熱即可。同樣，該解鎖釋放機(jī)構(gòu)的鎖緊力可以通過調(diào)節(jié)壓痕的數(shù)量和深度來調(diào)控。結(jié)合絲網(wǎng)印刷技術(shù)，ZHANG 等［56］開發(fā)了一種超輕的鉤形解鎖釋放裝置，用于解鎖和固定一個小立方體衛(wèi)星上的太陽能陣列。該解鎖釋放裝置采用氨綸纖維增強(qiáng)的環(huán)氧基SMPC 制備而成，通過絲網(wǎng)印刷技術(shù)將電阻嵌入到構(gòu)件內(nèi)部，賦予了其更好的柔韌性，該結(jié)構(gòu)連同外部電路總質(zhì)量為6 g。在立方體衛(wèi)星樣機(jī)上對該結(jié)構(gòu)的性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該釋放裝置的可行性、鎖定性能和可重復(fù)使用性。在3 V 電壓的驅(qū)動下，該結(jié)構(gòu)用時25 s 展開，并且該解鎖釋放結(jié)構(gòu)在20 個循環(huán)周期內(nèi)性能穩(wěn)定，如圖6（c）所示。

圖6 不同樣式的解鎖釋放裝置Fig.6 Different styles of unlock releasing devices

3 可變形飛行器

可變形飛行器的概念來源于鳥兒在空中自由飛行的過程中可以根據(jù)氣流和飛行目的改變翅膀的形狀。例如：當(dāng)鷹尋找獵物時，它的翅膀是完全展開的，但是一旦它發(fā)現(xiàn)獵物，它的翅膀會卷曲到身體上，迅速俯沖向獵物［57］。然而，傳統(tǒng)飛機(jī)在一次飛行中只能執(zhí)行單一任務(wù)，如用于攻擊任務(wù)的F?17，或用于長途運(yùn)輸任務(wù)的波音747［58］?；谌蝿?wù)需求的不確定性，未來飛機(jī)應(yīng)該擁有一些技術(shù)來改變機(jī)翼幾何構(gòu)型來提高飛機(jī)的飛行性能。例如，飛機(jī)在執(zhí)行巡航任務(wù)時，其機(jī)翼是平的，一旦飛機(jī)遇到某種特殊情況，機(jī)翼可以通過折疊以提高飛行速度，如圖7（a）所示。Lockheed Martin 公司［59］提出了一種Z 形可變翼飛行器的概念，并通過地面和風(fēng)洞測試驗(yàn)證了無人飛行器飛行性能。然而，翼型變化時，可變形蒙皮的設(shè)計也面臨著一定的挑戰(zhàn)，不僅需要較高的強(qiáng)度以抵抗氣動載荷，又需要保證光滑的氣動表面。美國CRG 公司（Cornerstone Research Group）［60］提出了基于SMPC 的無縫蒙皮的制造技術(shù)，即在連接部位使用SMP材料，如圖7（b）所示，機(jī)翼蒙皮可以基于鉸鏈的收攏或展開的狀態(tài)而變形。在高溫下，SMPC 材料處于橡膠彈性狀態(tài)，無縫蒙皮容易折疊而不損傷，當(dāng)再次加熱溫度時，形狀可以回復(fù)到其初始形狀。

YU等［61］人提出了一種由SMP/SMPC組成的變形翼的概念，并將碳纖維增強(qiáng)的SMPC 蒙皮的部署過程與SMA 線增強(qiáng)的SMPC 和彈性鋼片增強(qiáng)的SMPC 的部署過程進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，SMA 線和彈性鋼片增強(qiáng)的SMPC 蒙皮比碳纖維增強(qiáng)的SMPC 具有更高的回復(fù)速度。此外，YIN 等［62］提出了變弧度機(jī)翼的概念，并進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)來測量變形機(jī)理，選用布拉格光柵測量機(jī)翼的撓度，如圖7（c）所示?？紤]到SMPC 在高/低溫下具有可變的力學(xué)性能，CHEN等［63?64］制備了碳纖維增強(qiáng)的變剛度苯乙烯基SMPC管，并嵌入柔性硅橡膠蒙皮中。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，變剛度SMPC 管對變形蒙皮變形有顯著影響：隨著時間的增加，撓度逐漸增大。此外，GARCIA 等［65］對無人機(jī)變形的概念、設(shè)計、技術(shù)和發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了很好的總結(jié)，特別對各種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。

圖7 可變翼和可變形蒙皮Fig.7 The morphing wing and deformable skin

宮曉博［66］研究了一種基于SMPC 變剛度波紋板的可變彎度機(jī)翼。該機(jī)翼由柔性表皮、變剛度波紋板、主動變形蜂窩結(jié)構(gòu)以及充氣單元構(gòu)成，如圖8（a）所示，其中變剛度波紋板采用碳纖維氈增強(qiáng)的環(huán)氧基SMPC 制備。該可變彎度機(jī)翼的原理樣機(jī)如圖8（b）所示，在氣壓的作用下，該機(jī)翼中的主動變形蜂窩構(gòu)型發(fā)生變化，從而導(dǎo)致整個機(jī)翼的后緣發(fā)生偏轉(zhuǎn)，彎度發(fā)生變化。利用SMPC 的變剛度性質(zhì)，通過電加熱使其升高到Tg以上，在氣壓的作用下，機(jī)翼后緣的變形量可達(dá)53 mm，表現(xiàn)出了較強(qiáng)的變形能力。變形翼尖技術(shù)可以通過改變固定翼的構(gòu)型調(diào)節(jié)阻力、燃油消耗和起飛和降落的距離。SUN 等［67］提出了一種基于主動充氣蜂窩和SMPC 蒙皮的變形翼尖概念。兩種材料和結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)的結(jié)合允許翼尖在氣動肌肉的驅(qū)動下展開，并且氣動蒙皮也能夠承受一定的氣動載荷。該系統(tǒng)中的蜂窩結(jié)構(gòu)由充氣管通過體積膨脹來驅(qū)動，并且該蜂窩結(jié)構(gòu)為凹角構(gòu)型，具有負(fù)泊松比效應(yīng)。氣動纖維作為一種可以提供軸向推力的輕量化、低成本和高效的驅(qū)動器，還可以抵抗彎矩，圖8（c）為可變形翼尖的變形過程。

圖8 基于SMPC變剛度波紋板的可變彎度機(jī)翼Fig.8 Variable camber wing based on SMPC variable stiffness corrugated plate

4 4D打印可變形結(jié)構(gòu)

隨著航天事業(yè)的發(fā)展，對探索越來越難以進(jìn)入的空間環(huán)境以及對更多、更復(fù)雜的有效載荷的需求，使得對可展開系統(tǒng)的需求激增。盡管為了確保穩(wěn)健，對機(jī)械化裝載和展開過程進(jìn)行了大量研究，但隨著系統(tǒng)越來越復(fù)雜，系統(tǒng)構(gòu)成材料的固有行為成為實(shí)現(xiàn)大規(guī)?？烧归_系統(tǒng)部署的可行手段。而通過使用4D 打印技術(shù)，可以在可編程物質(zhì)內(nèi)嵌入和分布傳感、控制和驅(qū)動元件，展示出了一種制造一體化的可行方法。

CHEN 等［68］提出了一種基于SMP 的可展開太陽能電池板陣列概念，該結(jié)構(gòu)采用商用打印機(jī)Stratasys Connex3 Objet500，利 用FLX9895（Tg為35 ℃）和RGD835（Tg為65 ℃）兩種材料制備而成。該自展開系統(tǒng)具有一個完整的旋轉(zhuǎn)周期，可通過對該結(jié)構(gòu)提前進(jìn)行編程，在相應(yīng)的環(huán)境刺激下完成其自展開功能，其可重構(gòu)功能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性利用組成材料的物理特性以及楔形單胞的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。該結(jié)構(gòu)可以折疊成圓盤狀，也可以折疊成圓錐狀，其面積變化超過10 倍。在加熱的環(huán)境中，該機(jī)構(gòu)經(jīng)過40 s 逐漸展開，首先是系統(tǒng)整體的旋轉(zhuǎn)，之后呈放射性膨脹展開，如圖9（a）所示。QI等［69］提出了一種基于SMP的可展開鉸鏈，并利用該鉸鏈設(shè)計了可變形襟翼和可展開結(jié)構(gòu)。同樣，該結(jié)構(gòu)通過商用打印機(jī)Stratasys Connex3 Objet500，利用與機(jī)器配套的專用材料進(jìn)行制備。該結(jié)構(gòu)將活動鉸鏈與彈性柔性鉸鏈結(jié)合在一起，在編程過程中儲存彈性應(yīng)變能，然后在驅(qū)動時釋放彈性應(yīng)變能，從而有效提高結(jié)構(gòu)的承載能力，并且在該結(jié)構(gòu)中嵌入了電阻絲來實(shí)現(xiàn)局部焦耳加熱。通過多材料噴墨4D 打印技術(shù)提供了柔性鉸鏈的機(jī)械性能的高度可定制性，顯著提高了設(shè)計靈活性。圖9（b）和（c）分別展示了可變形襟翼和可變形結(jié)構(gòu)在電驅(qū)動下的形狀回復(fù)過程，通過電阻加熱的方式可以有效地調(diào)控材料內(nèi)部的溫度分布，并將其控制在一定的范圍。為了提高折紙結(jié)構(gòu)的剛度和回復(fù)力，XIN等［70］利用4D 打印技術(shù)和形狀記憶打印絲采用熔融打印的方式，設(shè)計并制備了以拉脹力學(xué)超材料為夾芯結(jié)構(gòu)的4D 打印SMP 折紙結(jié)構(gòu)，如圖9（d）所示。研究了夾芯結(jié)構(gòu)的面內(nèi)拉伸、三點(diǎn)彎曲和形狀記憶性能，表征了折紙結(jié)構(gòu)的快速響應(yīng)、大收納比和高回復(fù)率等性能，該結(jié)構(gòu)在空間可展開天線中具有廣闊的應(yīng)用前景。4D打印雖然在空間可展開結(jié)構(gòu)方面應(yīng)用前景巨大，但是限于材料及打印設(shè)備的打印尺寸等，目前該技術(shù)尚處于研發(fā)階段。然而，關(guān)于4D 打印可變形結(jié)構(gòu)的研究目前更多的是一個概念性的設(shè)計，其材料的性能是否滿足航天航空的需求尚需驗(yàn)證。

圖9 4D打印可展開結(jié)構(gòu)Fig.9 Deployable structures fabricated by 4D printing

5 展望

介紹了SMP 和SMPC 在航天航空領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展前景。在外部刺激下模量可改變是SMP 和SMPC 最顯著的特點(diǎn)，利用該性質(zhì)SMPC 鉸鏈/臂架可以折疊、收攏，并利用其形狀記憶特性實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的形狀固定和形狀回復(fù)?；谥悄懿牧系目烧归_結(jié)構(gòu)具有設(shè)計簡單、工藝性好以及Tg可調(diào)的優(yōu)勢，預(yù)計不久的將來在航天航空領(lǐng)域有多維度的發(fā)展。然而，SMPC 在航天航空領(lǐng)域的應(yīng)用還面臨一些挑戰(zhàn)，如具有較高的Tg并能夠適應(yīng)空間惡劣環(huán)境的SMP 和SMPC 的材料類型以及用于4D 打印的抗空間輻照的材料非常有限。因此，開發(fā)具有能夠抗空間輻照、具有較高Tg的SMP 和SMPC 以及適合4D 打印的材料是未來需要發(fā)展的方向之一?；赟MP 和SMPC 的結(jié)構(gòu)大大降低了機(jī)械結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，目前所報道的空間可展開結(jié)構(gòu)包括太陽能陣列、太陽帆和天線等，其構(gòu)型相對較小。而4D 打印技術(shù)在集傳感、控制和驅(qū)動于一體的空間可展開結(jié)構(gòu)的制備上展現(xiàn)出了一定的優(yōu)勢。因此，通過對4D 打印設(shè)備進(jìn)行合理的改進(jìn)，并結(jié)合折紙等概念，制備具有更大的收納比的、更大型的結(jié)構(gòu)也是未來可以探索的方向之一。