形狀記憶聚合物材料與航空航天

01導(dǎo)語記憶形狀聚合物（ShapeMemoryPolymers，SMPs）是一種特殊類型的高分子材料，具有記憶性能。根據(jù)其回復(fù)原理可分為:熱致型SMP、電致型SMP、光致型SMP、化學(xué)感應(yīng)型SMP等。它們可以在受到外界刺激（如溫度、光、電場或化學(xué)物質(zhì)）后發(fā)生可逆形狀變化，然后回到其原始形狀。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。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。所以航天航空用的SMP應(yīng)該具有高模量，較高的Tg和環(huán)境耐久性。常見的航空航天SMP材料02典型記憶聚合物材料簡介常見的形狀記憶材料主要有SMA（形狀記憶合金），SMP和SMPC（均為形狀記憶聚合物）。與SMA相比，SMP具有質(zhì)量輕、價(jià)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。反之，SMP與SMA相比，驅(qū)動(dòng)力較小，然而其可回復(fù)應(yīng)變較大，但是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。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。下表列出了SMA、SMP和SMPC的主要性能。不同類型形狀記憶材料的性能對比根據(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。下表概述了不同增強(qiáng)相對SMP性能的影響。

不同增強(qiáng)相對SMP性能的影響

真空環(huán)境下SMP的性能變化03在航天航空領(lǐng)域可變形結(jié)構(gòu)的應(yīng)用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?；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。然而，翼型變化時(shí)，可變形蒙皮的設(shè)計(jì)也面臨著挑戰(zhàn)，不僅需要高強(qiáng)度以抵抗氣動(dòng)載荷，又需要保證光滑的氣動(dòng)表面。美國CRG公司（CornerstoneResearchGroup）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。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(shí)，形狀可以回復(fù)到其初始形狀。美國科學(xué)家們等提出了一種由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，其它科學(xué)家提出了變弧度機(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?？紤]到SMPC在高/低溫下具有可變的力學(xué)性能，CHEN等制備了碳纖維增強(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(shí)間的增加，撓度逐漸增大。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。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(dòng)元件，展示出了一種制造一體化的可行方法?？茖W(xué)家們提出了一種基于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)StratasysConnex3Objet500，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(gè)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40s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，如下圖所示。其它科學(xué)家提出了一種基于SMP的可展開鉸鏈，并利用該鉸鏈設(shè)計(jì)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)StratasysConnex3Objet500，利用與機(jī)器配套的專用材料進(jìn)行制備。為了提高折紙結(jié)構(gòu)的剛度和回復(fù)力，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(jì)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)，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。展望基于智能材料的可展開