形狀記憶高分子材料及其在軍事方面的應(yīng)用前景
2012-12-31 00:00:00楊瀟然
【摘要】隨著現(xiàn)代化技術(shù)的發(fā)展，軍事方面對高分子材料的要求也越來越高。本文從形狀記憶高分子材料的概念出發(fā)，介紹了目前形狀記憶高分子材料的發(fā)展趨勢，并主要分析了其在軍事方面的應(yīng)用前景。
【關(guān)鍵詞】形狀記憶；高分子材料；軍事應(yīng)用
1.形狀記憶高分子材料簡介
形狀記憶高分子或形狀記憶聚合物（SMP，Shape Memory Polymer）作為一種功能性高分子材料，是高分子材料研究、開發(fā)、應(yīng)用的一個新分支。它是在一定條件下被賦予一定智能高分子材料的形狀（起始態(tài)），當外部條件發(fā)生變化時，它可相應(yīng)地改變形狀，并將其固定（變形態(tài)）。如果外部環(huán)境發(fā)生變化，智能高分子材料能夠?qū)Νh(huán)境刺激產(chǎn)生應(yīng)答，其中環(huán)境刺激因素有溫度、pH值、離子、電場、溶劑、反以待定的方式和規(guī)律再一次發(fā)生變化，它便可逆地應(yīng)物、光或紫外線、應(yīng)力、識別和磁場等，對這些刺激恢復至起始態(tài)。至此，完成記憶起始態(tài)固定變形態(tài)恢復起始態(tài)的循環(huán)。
1989年 ，石田正雄認為 ，具有形狀記憶性能的高分子可看作是兩相結(jié)構(gòu) ，即由記憶起始形狀的固定相和隨溫度變化能的可逆的固化和軟化的可逆相組成?？赡嫦酁槲锢磴q鏈結(jié)構(gòu) ，而固定相可分為物理鉸鏈結(jié)構(gòu)和化學鉸鏈結(jié)構(gòu)，以物理鉸鏈結(jié)構(gòu)為固定相的稱為熱塑SMP，以化學鉸鏈結(jié)構(gòu)為固定相的稱為熱固性SMP。王詩任等認為 ，形狀記憶高分子實際上是進行物理交聯(lián)或化學交聯(lián)的高分子，其形狀記憶行為實質(zhì)上是高分子的粘彈性力學行為。他們根據(jù)高分子粘彈性理論建立了一套形狀記憶的數(shù)學模型。總結(jié)來說，形狀記憶機理可分為：組織結(jié)構(gòu)機理、橡膠彈性理論、粘彈性理論。
2.軍事材料特殊性分析
未來戰(zhàn)爭是高技術(shù)條件下的戰(zhàn)爭。不僅戰(zhàn)場環(huán)境變得更加惡劣復雜，各種類型的雷達，先進探測器以及精確制導武器的問世，對各類武器和裝備構(gòu)成了嚴重的威脅。因此，不僅軍事裝備的質(zhì)量要求一定可靠，而且，軍事裝備的再生性和快速制造能力也被提到了新的高度。
軍事裝備系統(tǒng)的可靠性（The Reliability of Armaments system）是指軍事裝備系統(tǒng)在規(guī)定的時間內(nèi)，預(yù)定的條件下，完成規(guī)定效能的能力。要求裝備在特定的條件下長期存放和反復使用過程中，不出故障或少出故障，處于正常的使用狀態(tài)，且能實現(xiàn)其預(yù)期效能。因此，軍事材料必須擁有極強的性能和超長的工作壽命。軍事裝備的再生能力，指的是軍事裝備受到損壞后，能夠迅速進行戰(zhàn)場搶修的能力。戰(zhàn)場再生能力是提高裝備戰(zhàn)斗力的重要組成部分。形狀記憶高分子材料具有許多優(yōu)異的性能，因此此類材料對于軍事方面的貢獻就十分明顯。在前期制造方面，由于其快速恢復能力，可以在很短的時間內(nèi)完成對零部件連接、整合，為戰(zhàn)爭贏得極寶貴先機時間。在對裝備恢復方面，我們可以將記憶前的材料制造為較為規(guī)則，使用面積較小的部件，單一運輸時可以減縮空間，從而提高運輸效率，極大地提高了戰(zhàn)場的再生能力。
3.形狀記憶高分子材料在軍事方面應(yīng)用展望
目前，形狀記憶高分子材料在軍事方面的成熟應(yīng)用主要體現(xiàn)在在戰(zhàn)機的連接，加固，軍事通訊設(shè)備，戰(zhàn)爭醫(yī)療設(shè)備等方面。
3.1戰(zhàn)機接頭連接
在軍事戰(zhàn)斗機上通常裝有各種不同直徑的管道， 對于一些異徑管接頭的連接， 形狀記憶高分子材料可以大顯身手。其大致工藝過程如下： 先將形狀記憶高分子材料加工成所要求的管材， 然后對其加熱使管材產(chǎn)生徑向膨脹， 并快速冷卻， 即可制得熱收縮套管。應(yīng)用時， 將此套管套在需要連接的兩個管材的接頭上，再用加熱器將已膨脹的套管加熱至其軟化點以上（低于一次成形溫度）， 膨脹管便收縮到初始形狀，緊緊包覆在管接頭上。
3.2緊固銷釘
在戰(zhàn)斗機的制造工藝中， 需應(yīng)用大量的連接件進行連接。采用形狀記憶高分子材料制作緊固銷釘，將是戰(zhàn)斗機制造業(yè)中的一項嶄新工藝技術(shù)。
（1）先將記憶材料成形為銷釘?shù)氖褂眯螤?；?）再將銷釘加熱變形為易于裝配的形狀并冷卻定型；（3）將變形銷釘插入欲鉚合的兩塊板的孔洞中；（4）將銷釘加熱即可回復為一次成形時的形狀， 即將兩塊板鉚合固定。
3.3軍事通訊設(shè)備
形狀記憶高分子材料在軍事通訊設(shè)備方面的應(yīng)用同記憶合金比較相似。后者在航空航天領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用有很多成功的范例。人造衛(wèi)星上龐大的天線可以用記憶合金制作。發(fā)射人造衛(wèi)星之前，將拋物面天線折疊起來裝進衛(wèi)星體內(nèi)，火箭升空把人造衛(wèi)星送到預(yù)定軌道后，只需加溫，折疊的衛(wèi)星天線因具有“記憶”功能而自然展開，恢復拋物面形狀。而高分子材料通常具有很好的絕緣性能，因此在通訊設(shè)施中不需要導電的部件中，用形狀記憶高分子材料代替，以獲得我們預(yù)期的目標，從而提高部隊的攜帶能力。
3.4軍事醫(yī)療設(shè)備
在需要單兵作戰(zhàn)的特殊場合，由于單兵的輜重，裝備等攜帶能力的限制，需要在有限的或體積下攜帶比較充足的醫(yī)療設(shè)施，從而為軍人的生命恢復提供必要的保障。利用低溫形狀記憶特性的聚合物聚氨酯、聚異戊二烯、聚降冰片烯等可以制備用作矯形外科器械或用作創(chuàng)傷部位的固定材料，比如用來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的石膏繃帶。方法有2種：一是將形狀記憶聚合物加工成待固定或需矯形部位形狀，用熱水或熱吹風使其軟化，施加外力使其變形為易于裝配的形狀，冷卻后裝配到待固定或需矯形部位。再加熱便可恢復原狀起固定作用，同樣加熱軟化后變形，取下也十分方便；二是將形狀記憶聚合物加工成板材或片材，用熱水或熱吹風使其軟化，施加外力變形為易于裝配形狀，在軟化狀態(tài)下裝配到待固定或需矯形部位，冷卻后起固定作用，拆卸時加熱軟化取下即可。形狀記憶材料與傳統(tǒng)的石膏繃帶相比具有塑型快、拆卸方便、 透氣舒適、干凈衛(wèi)生、熱收縮溫度低、可回復形變量大的特點，可望在矯形外科領(lǐng)域及骨折外固定領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
4.結(jié)束語
目前，對形狀記憶材料的研究才剛剛開始，尚處于初級階段。形形狀記憶高分子材料雖然具有可恢復形變量大、記憶效應(yīng)顯著、感應(yīng)溫度低、加工成型容易、使用面廣、價格便宜等優(yōu)點，但尚存在著許多不足之處，如形變回復不完全、回復精度低等。因而，在形狀記憶高分子材料的分子設(shè)計和復合材料研究等方面，還有待于進一步探索。另外，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)實需要開發(fā)新型的形狀記憶高分子或?qū)υ械男螤钣洃浉叻肿佑嗅槍π缘剡M行改性。因此， 在今后的研究工作中， 應(yīng)充分運用分子設(shè)計技術(shù)及材料改性技術(shù)， 努力提高材料的形狀記憶性能及綜合性能， 開發(fā)新的材料品種， 以滿足不同的應(yīng)用需要。另外， 還應(yīng)注重新材料的實際應(yīng)用， 早日形成工業(yè)產(chǎn)量，為我國的軍事建設(shè)及各項國民經(jīng)濟建設(shè)服務(wù)。
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