纖維增強形狀記憶聚合物復合材料在空間可展開結構中的應用

楊菁　郭培俊　鄧力偉　陳俊

摘 要：當前，不同國家對于智能材料的結構研究，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構中得到廣泛應用。該文主要探討纖維增強的形狀記憶聚合物復合材料，在空間可展開結構中的應用，通過對復合材料玻璃化轉變溫度Tg的控制，可以滿足多種可展開結構的使用需求。

關鍵詞：纖維增強形狀記憶聚合物 復合材料 空間可展開結構 應用

中圖分類號：U416 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）01（c）-0078-02

形狀記憶聚合物復合材料，是我國工程學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度、剛度等方面性能較差，而纖維增強形狀記憶聚合物有著較為優良的強度與變形回復力。桁架作為可展開結構的支撐平臺，其中用到的鉸接頭、鉸鏈驅動器等，即為纖維增強形狀記憶聚合物復合材料，這一材料能保證桁架結構的打開與折疊收攏，也有著更高的可靠性、穩定性。

1 形狀記憶復合材料與纖維增強形狀記憶聚合物復合材料的特性

1.1 形狀記憶聚合物復合材料的特性

形狀記憶復合材料具有變形回復力大、應變力大特征，但由于形狀記憶復合材料在承受較大應力狀態下，其應變能力無法滿足材料自身的變形恢復要求，因此要進行形狀記憶聚合物復合材料結構的研究。當前我國所研究的形狀記憶復合材料，主要包括粉鏈狀復合材料、短纖維增強形狀記憶復合材料、纖維增強形狀記憶復合材料等，其中纖維增強形狀記憶聚合物復合材料，是該研究的重點方向。

現階段空間可展開桁架結構，通常包含梁體、鉸鏈驅動器、對角拉索和鉸接頭等組成構架，其中鉸接頭、鉸鏈驅動器等，是利用形狀記憶復合材料進行展開與折疊的空間結構。在運用鉸鏈驅動器對桁架空間結構進行展開過程中，會對其支撐的電池板、衛星等航天器產生沖擊，所以將纖維增強形狀記憶聚合物復合材料應用到空間可展開結構中，可以有效增強驅動結構剛度、應變力，保證桁架結構展開與折疊的可靠性、穩定性。

1.2 纖維增強形狀記憶聚合物復合材料的特性

纖維增強形狀記憶復合材料在無熱力或力學作用情況下，材料本身有著較高的強度、力學承載性能，但其主動變形、變形回復力性能較弱。而隨著碳纖維增強形狀記憶復合材料的研究，形狀記憶復合材料本身的形狀恢復力開始增強，并廣泛應用到空間可展開桁架結構中，其具有的熱力學機械變形過程如圖1所示。根據圖1可以看出，碳纖維增強形狀記憶復合材料，會在玻璃化轉變溫度Tg的影響下，發生相應彎曲變形與回復。當環境溫度T

2 空間可展開桁架結構與形狀記憶鉸接頭設計

2.1 空間可展開桁架結構的設計

桁架作為多種工業建造物或航天器的支撐平臺，主要包括梁體、鉸鏈驅動器、對角拉索和鉸接頭等組成結構，具體如圖2所示。橫梁、縱梁等梁體結構通常使用樹脂基復合材料，進行整個桁架薄壁桿結構的搭建，樹脂基復合材料有著優良的剛度、形變特性，能夠承載大軸向與壓力。而鉸鏈驅動器和對角拉索等構件，則分別采用鋁合金、鋼絲繩材料制成，其中鉸鏈驅動器可以有效保障，對角拉索連接兩個固體之間的相對轉動。對角拉索主要起到維持桁架均勻張力和應力，以及提升可展開桁架結構剛度的作用。最后鉸接頭是鉸鏈驅動器的連接環節，也是整個桁架結構中唯一使用形狀記憶復合材料的部分，主要負責桁架結構展開、折疊收攏動作的完成。在鉸接頭被加熱至Tg以上時，其本身會由于外力作用發生可控形變，使桁架結構逐漸收攏，溫度降低后維持此形態不變。而當環境溫度再次升高至Tg以上后，鉸接頭會回復至原始狀態，桁架結構也會在其作用下展開。

2.2 形狀記憶聚合物鉸接頭的結構設計

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合材料制作而成，其會在電加熱或其他熱力學因素作用下，而發生剛度、強度或可恢復形變性能的變化。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合材料層、電加熱層、外部防護層等層級組成，其中電加熱層主要用于傳導外界加熱的能量，而形狀記憶聚合物復合材料層會在加熱使發生形變，并支撐整個桁架結構的展開、折疊。其中電加熱層是上、下都覆蓋金屬加熱膜的三層結構，具有絕緣性、耐溫性優良的特征。鉸接頭的形狀記憶復合材料層、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 纖維增強形狀記憶復合材料在空間可展開結構中的應用研究

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

而大型可展開桁架結構由于其整體體積大、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構的多點懸掛方式，來抵消掉桁架展開過程中自身摩擦、重力等要素，對桁架應力、可恢復形變的影響。空間可展開桁架在懸掛框架的懸掛點上，設置有相隔較遠的數個鉸接頭，對這些鉸接頭進行溫度上升、下降的控制工作，可以保證桁架展開、折疊收攏流程的實現。在空間可展開桁架結構收攏的情況下，對桁架鉸接頭進行升溫操作，溫度升高至114℃，這時相鄰兩懸掛點間的橫梁，會沿著桁架縱軸進行120°左右的扭轉變形。而在桁架鉸接頭溫度下降至Tg=94℃以下后，桁架會保持其現有扭轉形態。之后再將桁架鉸接頭溫度上升至114℃，鉸接頭會按照原有的扭轉變形，逐漸恢復至原始構型狀態（非勻速）。通過對可展開桁架結構的鉸接頭，進行10次形變回復的循環操作，得出該纖維增強形狀記憶復合材料的形變恢復率達到97%以上，因此其可以滿足大型可展開桁架結構的工作需求。

4 結語

在非均勻溫度場或外力等作用下，形狀記憶聚合物材料會在一定時間內，發生10%～100%的變形。對于大型桁架空間可展開結構的設計，需要用到形狀記憶聚合物復合材料，且對其強度、剛度和熱力學性能提出較高要求。因此通過纖維增強形狀記憶聚合物復合材料，應用到桁架空間可展開結構的鉸鏈驅動器、鉸接頭等部件中，能夠有效減少桁架重力、自身摩擦力等，對桁架應力、可回復形變造成的負面影響，提高桁架在短時間內展開與收攏的效率，并為輕量化、大型化可展開空間結構的構建提供相應參考。

參考文獻

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