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    形狀記憶聚合物及其復合材料在航天領域的應用進展

    2020-07-28 01:23:50李豐豐劉彥菊冷勁松
    宇航學報 2020年6期
    關鍵詞:形狀記憶合板鉸鏈

    李豐豐,劉彥菊,冷勁松

    (1. 哈爾濱工業(yè)大學航天科學與力學系,哈爾濱 150001;2. 哈爾濱工業(yè)大學特種環(huán)境復合材料技術國家級重點試驗室,哈爾濱 150080)

    0 引 言

    形狀記憶聚合物(Shape memory polymer,SMP)是通過感知外界環(huán)境變化而產(chǎn)生主動變形的一種新型智能材料,可以在某些刺激(熱、電、磁、光、溶液等)下從臨時固定形狀回復到原始形狀[1-7]。自1941年第一篇公開文獻報道甲基丙烯酸酯樹脂具有形狀記憶效應以來,不同種類的形狀記憶聚合物(環(huán)氧,苯乙烯,氰酸酯,聚酰亞胺,聚乙烯,聚苯乙烯,聚丙烯酰胺等)已被開發(fā),以滿足各種應用需求[8-9]。形狀記憶聚合物具有低成本、低密度、大的可回復應變、多選擇的激勵方法、可調(diào)控的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、在材料級實現(xiàn)結構驅(qū)動變形等優(yōu)點[10-13]。但形狀記憶聚合物作為一種有機高分子材料,剛度遠低于形狀記憶合金及形狀記憶陶瓷材料,通過將其制備成形狀記憶聚合物復合材料(Shape memory polymer composite, SMPC),可大大提高材料的剛度和回復力[2, 14-18]。形狀記憶聚合物復合材料根據(jù)增強材料類型通??煞譃轭w粒增強復合材料和纖維增強復合材料[2, 14-18]。顆粒增強的形狀記憶聚合物復合材料更多地用作功能材料[3, 8, 19-20];纖維增強的形狀記憶聚合物復合材料由于其良好的機械性能,通常用作結構材料[2-3, 12-13, 21]。

    考慮到火箭的承載能力及大型空間結構(天線,太陽能陣列,太陽帆和太空望遠鏡等)的需求,可展開結構應用而生。多數(shù)可展開結構依靠機電機構或機械臂進行展開。形狀記憶材料可以作為新的空間可展開結構的驅(qū)動部件,在沒有復雜機械設備的情況下實現(xiàn)在由材料形狀記憶特性驅(qū)動的展開[2-3, 21-22]。同時,由形狀記憶材料制備的部件具有重量輕,相對高的剛度和強度,低成本,以及高可靠性的優(yōu)點[1-3, 21-22]。本文重點關注面向航天領域應用的形狀記憶聚合物及其復合材料,介紹其形狀記憶機理,評述近幾年開發(fā)的面向航天應用的可展開鉸鏈、可展開桁架、可展開太陽能電池陣列、鎖緊釋放機構,總結并展望基于該類材料的空間可展開結構的未來的研究重點和發(fā)展趨勢。

    1 形狀記憶機理簡介

    形狀記憶聚合物及其復合材料最顯著的特性為形狀記憶效應,它使基于該類形狀記憶材料的結構成為取代復雜機械結構的可能。以熱致型形狀記憶聚合物為例,一個完整的形狀記憶循環(huán)從原始形狀開始,當材料被加熱至溫度高于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Glass transition temperature)Tg時,對材料施加外力使其變形;保持外界約束,使材料降溫至玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以下,撤去外界約束,材料變形被保持;當材料再次被加熱到溫度高于其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時,材料回復到原始形狀(如圖1所示)[1-2, 23-27]。

    圖1 形狀記憶循環(huán)示意圖[2]Fig.1 Schematics of the shape memory cycle[2]

    通過對形狀記憶聚合物的結構分析可知形狀記憶聚合物的形狀記憶效應主要由于材料內(nèi)部的兩相結構:保持宏觀原始形狀的固定相和可逆軟化硬化的可逆相[2-3,7, 21]。其中,固定相能夠保證材料的宏觀形狀及剛度,可逆相能夠保證材料在變形記憶狀態(tài)過程中的大變形及保持臨時形狀。當材料受外部激勵和載荷作用時,其內(nèi)部分子鏈的取向和交聯(lián)點將發(fā)生平移;撤去外部激勵并保持載荷,可使這些重新取向的分子鏈段產(chǎn)生二次交聯(lián),直到分子鏈段的微布朗運動凍結,材料硬化成型;當材料再次受激勵時,其內(nèi)部可逆相軟化,分子鏈段的二次交聯(lián)被解除,宏觀表現(xiàn)出形狀回復。圖2為形狀記憶效應機理圖,圖中黑色點為固定相,代表將分子鏈段連接在一起的交聯(lián)點,可由物理相互作用或化學共價鍵構成;長線條為可逆相,代表分子鏈段,其中藍色線條代表凍結鏈段,紅色線條代表激活鏈段[7]

    迄今為止,公開文獻中應用于航天領域的形狀記憶聚合物復合材料通常以碳纖維或其織物為增強相[1-3, 21-24]。由于碳纖維的最大伸長率小于2%,限制了形狀記憶聚合物復合材料的拉伸變形,但該材料仍可在大的宏觀彎曲變形下保持良好的性能,故在實際應用中多利用彎曲變形模式[22]。研究人員認為微屈曲是形狀記憶聚合物復合材料可以承受較大的彎曲變形的原因。當溫度高于轉(zhuǎn)變溫度,基體形狀記憶聚合物由于剪切模量低(數(shù)量級為10 MPa),沒有足夠的剛度來支撐被壓縮的纖維,致使纖維發(fā)生微屈曲(如圖3所示)??赏ㄟ^理論計算和顯微觀察來確定單向碳纖維增強形狀記憶聚合物復合材料的中性面,臨界屈曲位置,纖維屈曲半波長和振幅等[23-24]。需注意的是,由于形狀記憶聚合物復合材料結構要求變形較大,所以不允許有較高的纖維含量;形狀記憶聚合物復合材料的厚度通常小于2 mm,因為較厚或具有大模量的層合板會在彎曲變形中產(chǎn)生較大的剪切力以抵抗纖維彎曲,造成基體損壞。

    圖3 纖維增強形狀記憶復合材料的微屈曲行為[23]Fig.3 The micro-buckling of the fiber reinforced shape memory polymer composite[23]

    2 可展開鉸鏈

    美國的復合技術開發(fā)公司(Composite Technolo-gy Development Inc.,CTD)自20世紀90年代開發(fā)了TEMBO?彈性記憶復合材料(Elastic memory composite,EMC)[21-22, 28-31]。EMC是碳纖維增強的形狀記憶聚合物復合材料。CTD公司開發(fā)的多種基于EMC的可展開結構中最具代表的是EMC可展開鉸鏈(如圖4所示)。EMC可展開鉸鏈主要部件為兩個粘貼有電阻絲的圓弧形EMC材料層合板,兩片層合板相背放置,通過端部接頭連接[28]。2006年,EMC可展開鉸鏈首次在TacSat-2衛(wèi)星上展開了試驗型太陽能電池陣列(Experimental solar array,ESA)[32]。2007年,EMC可展開鉸鏈在國際空間站進行了零重力展開試驗。試驗共有6組鉸鏈,每個鉸鏈配備端部夾具,遠程驅(qū)動和計量裝置,以評估展開準確性,輸出力和扭矩[33]。EMC可展開鉸鏈成功的空間飛行試驗證明了其作為航天應用部件的可行性和可靠性,從原理上證實了基于TEMBO?材料的其他可展開結構在空間應用上的可行性。

    圖4 EMC可展開鉸鏈鉸鏈[28]Fig.4 EMC deployable hinge[28]

    Lan等[34]通過對碳纖維布增強的形狀記憶聚合物復合材料層合板的厚度、橫截面圓弧半徑及弧度角、加熱方式和金屬配件等進行優(yōu)化設計,制備了可展開鉸鏈,并用其驅(qū)動單個太陽能電池板展開。該可展開鉸鏈采用橫截面圓弧角120°、圓弧半徑12.5 mm、厚3 mm、長100 mm的形狀記憶聚合物復合材料層合板作為主要部件;兩片圓弧形狀記憶聚合物復合材料層合板背部相對,并有端部固定件連接。固定件采用舌狀夾持端設計,可有效降低應力集中。圖5為該鉸鏈從彎曲變形140°展至0°的過程示意圖,展開過程先快后慢,約100 s展開完全[2, 34]。該層合板相較EMC可展開鉸鏈所用的層合板厚,故可提供的較大回復力。該類型鉸鏈重量輕、不涉及復雜的機械部件,可從材料層面實現(xiàn)驅(qū)動展開、展開過程無沖擊,有望替代傳統(tǒng)的金屬鉸鏈。但相較金屬鉸鏈,該類鉸鏈具有驅(qū)動力小、剛度低等缺點。

    圖5 形狀記憶聚合物復合材料鉸鏈驅(qū)動展開太陽能電池板[2]Fig.5 Deployment process of the solar array by SMPC hinge[2]

    Chen等[35]開發(fā)了一種新的空間可展開機構(Space deployable mechanism,SDM),它實質(zhì)為一種較大型的鉸鏈,包含四個內(nèi)置的形狀記憶聚合物復合材料層合板,四個外置的用于改善整體剛度和展開力的復合彈簧帶,以及兩個用于將形狀記憶聚合物復合材料和CST固定在一起的鋁合金接頭(如圖6所示)。圓弧半徑0.19 m,長0.50 m,重量2.142 kg的SDM試驗模型已制備并進行了結構剛度和形狀回復率試驗。結果表明,SDM在繞X軸的抗彎剛度達到5000 N·m2以上,可至少實現(xiàn)10次形狀恢復率超過99.994%的形狀回復試驗[35]。SDM是目前開發(fā)的基于形狀記憶聚合物復合材料鉸鏈中輸出力矩最大的結構,起結構承載和展開驅(qū)動的雙重作用,顯示出在空間可展開結構的巨大應用潛力。

    圖6 SDM機構展開試驗[35]Fig.6 The deployment process of the SDM structure[35]

    3 可展開桁架

    繼EMC可展開鉸鏈后,CTD公司為FalconSat-3微型衛(wèi)星設計了基于形狀記憶聚合物復合材料的可展開重力梯度桿,進行了地面基本性能測試與低軌飛行試驗(如圖7所示)[36]。該重力梯度桿采用中央套管和三個環(huán)繞中央套管呈120°分布的形狀記憶聚合物復合材料層合板構成。在折疊狀態(tài),三個縱向的形狀記憶聚合物復合材料層合板以S型折疊收縮;當加熱膜通電,形狀記憶聚合物復合材料層合板回復到平直狀態(tài),從而帶動重力梯度桿展開。該重力梯度桿頂端負重8 kg,展開后長度為3.3 m,總質(zhì)量為10.6 kg[37]。該結構不需電機等機械設備,展開/收攏比高,但橫向剛度低,僅調(diào)節(jié)了星體Z方向的穩(wěn)定性。

    圖7 可展開重力梯度桿[36]Fig.7 The deployable gravity gradient boom[36]

    Leng等[38-39]基于碳纖維布增強的形狀記憶聚合物復合材料層合板開發(fā)了兩種桁架結構:單軸可展開梁和三軸可展開桁架(如圖8所示)。單軸可展開梁類似于上文中提到的可展開的重力梯度桿,由可伸展的中心套筒桿與周向呈120°分布的形狀記憶聚合物復合材料層合板構成,但該桁架中同級套筒桿的橫截面直徑相同以減小摩擦,不同級片層采用套環(huán)連接。三軸可展開桁架由三組套筒桿及外覆于套筒上的形狀記憶聚合物復合材料層合板組成,套筒桿之間由壓條連接以構成穩(wěn)固的三角形橫截面。兩種桁架結構中處于同一高度的片層為一級,每級均由三個形狀記憶聚合物復合材料層合板組成,層合板在桁架收攏時呈“V”字形,通電加熱后逐步展開為“-”字形,以驅(qū)動桁架展開[38-39]。圖8(c)為單軸可展開梁的展開過程圖,桁架在展開初期運動緩慢,當溫度達到層合板玻璃化轉(zhuǎn)變溫度后展開速度加快,最后趨于平緩,該模型歷時約100 s實現(xiàn)完全展開[38]。單軸可展開梁的剛度低于三軸可展開桁架,但三軸可展開桁架在展開過程中需要克服的阻力大,需采用回復力矩更大的形狀記憶聚合物復合材料層合板。

    圖8 兩種可展開桁架結構[38-39]Fig.8 Two kinds of deployable trusses[38-39]

    Liu等[40]開發(fā)了一種采用一體化形狀記憶聚合物復合材料鉸鏈的可展開桿(如圖9所示)??烧归_桿以形狀記憶聚合物復合材料圓柱管為基礎,將形狀記憶聚合物復合材料管沿側面部分掏空,形成兩個圓弧角為120°的對稱的弧形層合板,該部分易于折疊、展開,可作為鉸鏈使用[40]??烧归_桿Z形折疊收攏,通過加熱不同部位的鉸鏈可形成不同的展開路徑,可展開桿各段的長度、段數(shù)、彎曲角度等可進行優(yōu)化設計,以滿足不同的要求,該結構可應用于自驅(qū)動夾持裝置和多角度成像系統(tǒng)等。模態(tài)試驗結果表明,采用一體化形狀記憶聚合物復合材料鉸鏈的可展開桿具有較高的固有頻率,其第一階固有頻率為101.3 Hz,遠高于采用組合式鉸鏈的46.3 Hz[40]。這種可展開桿不需復雜機械裝置,在材料水平上實現(xiàn)結構展開,重量輕、剛度和強度相對較高??刹鹦兜年P鍵越少,展開結構的剛度越高。一體化設計理念是提高新結構剛度的好方法。

    扦插處理后第30天,對不同景天品種的扦插苗生長量進行統(tǒng)計。由表2可以看到:不同濃度IBA處理的生根率差異不大,但平均植株高度、平均生根數(shù)、平均根長差異較大,其中濃度為100mg/L的處理,品種植株高,根長也最大、生根數(shù)量表現(xiàn)最多;在清水對照處理中的品種植株表現(xiàn)最低,根生長最短、平均根數(shù)最少;另兩種IBA濃度的處理表現(xiàn)相差不大,品種根系生長狀況介于兩者之間。

    圖9 可展開桿展開試驗[40]Fig.9 Deployment process of the self-deployable bar[40]

    Li等[41]介紹了一種可尖端負載的可展開桁架(如圖10所示)。該桁架繼承了之前的可展開重力梯度桿[36]和單軸可展開梁[39]的展開機制,使用三級套管作為中央可展開桿,外覆兩級呈120°分布的SMPC平直層合板作為驅(qū)動源。由于到SMPC層合板的固定能力不足以將桁架鎖定在收攏狀態(tài),故該桁架在套筒內(nèi)設置了桿式鎖緊釋放裝置;同時該桁架采用帶有角撐板基座和輔助支撐框架,以提高結構剛度和避免根部疲勞。尖端載荷為1.3 kg的主體金屬框架在收攏狀態(tài)下的第一階固有頻率為127 Hz,展開狀態(tài)下的第一階固有頻率為5 Hz[41]。桁架整體在經(jīng)歷條件為8g(g為重力加速度)正弦掃頻試驗,10g的加速度試驗及1600g的沖擊試驗

    圖10 尖端負載的可展開桁架[41]Fig.10 The tip-loaded deployable truss[41]

    后未變形和損壞[41]。相較于本節(jié)中其他的桁架。該桁架剛度高,能承受苛刻的力學環(huán)境,可以用作各種組件(例如天線,空間探測器等)的擴展架。

    4 可展開太陽能電池陣列

    傳統(tǒng)航天用太陽能電池陣列多采用剛性蜂窩板和板間金屬鉸鏈相互連接。CTD和Lan等采用上文第3節(jié)提到的基于形狀記憶聚合物復合材料的可展開鉸鏈代替金屬鉸鏈作為驅(qū)動和連接關節(jié),研制了基于該鉸鏈的太陽能電池陣列,如圖4(a)和圖5所示。

    不同于鉸鏈式連接的太陽能電池陣列,CTD為小型航天器推出了一種采用形狀記憶聚合物復合材料線型鉸鏈的新型復合輕量陣列(Composite lightweight array using shape-memory polymer,CLASP)[42]。線型鉸鏈連接相鄰的基板,完整覆蓋連接部位,CLASP一旦展開就具有連續(xù)的表面。其原理樣機已在6U CubeSat模型上進行了多次折疊、展開試驗。試驗所用的線型鉸鏈的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為120 ℃,從距衛(wèi)星主體最遠端向根部依次激勵并成功展開(如圖11所示)。CLASP展開后長1.0 m,寬0.36 m[42]。相關部門已計劃進行工程樣機的制備與地面鑒定試驗,但截止目前為止,沒有任何材料更新[42]。相較于分散式的鉸鏈連接,這種設計不僅可以提高太陽能電池陣列的剛度和強度,還可以提高收納的容積效率,用于制備展開面積更大的太陽能電池陣列。但由于線型鉸鏈尺寸較大,故所需能量增多。

    圖11 新型復合輕量陣列CLASP展開試驗[42]Fig.11 The deployment process of CLASP[42]

    2016年,哈爾濱工業(yè)大學冷勁松教授課題組自主研制的“太陽光激勵展開的柔性基板”(代號Mission SMS-I)進行了地面及地球靜止軌道試驗驗證(如圖12所示)[43]。該柔性基板采用碳纖維增強的形狀記憶聚合物復合材料制成;一旦基板的溫度達到或超過玻璃化轉(zhuǎn)變溫度,基板便可以從“Ω”型收攏狀態(tài)回復到“-”型展開狀態(tài)。該結構經(jīng)歷了系列地面試驗(包括振動、沖擊、真空熱循環(huán)及地面展開試驗)和在軌驗證試驗(在軌展開及長期抗輻照觀察)。試驗結果表明Mission SMS-I可承受所處的力及熱環(huán)境,在軌道上成功展開部署,并具有良好的長期抗輻射能力[43]。這是我國首次實現(xiàn)形狀記憶聚合物智能復合材料展開結構的空間應用,也是國際上首次實現(xiàn)該類型智能結構的高軌道空間應用。相較于現(xiàn)有的柔性太陽能電池陣列,該結構集常規(guī)基板、支撐和部署功能為一體,構造簡單,無復雜的機械部件,展開過程中不存在“卡死”等機械故障。雖然該結構展開不需要航天器提供能源,但在受光照與非受光照情況下剛度有差異,未來應用中需權衡節(jié)省能源與變剛度的影響。

    圖12 太陽光激勵展開的柔性基板[43]Fig.12 The sunlight-stimulated flexible substrate[43]

    Liu等[44]開發(fā)了一種基于形狀記憶聚合物復合材料的豆莢桿,并提出了一種結合該豆莢桿與薄膜式太陽能電池的柔性太陽能列陣。豆莢桿分布在薄膜式太陽能電池的兩側,在熱激勵情況下可蜷曲、展開。圖13顯示了基于形狀記憶聚合物復合材料豆莢桿的柔性太陽能列陣的地面展開過程,其在經(jīng)過30次變形循環(huán)后仍能良好展開,平均回復率96.2%左右[44]。該柔性太陽能列陣的于2019年12月搭載實踐二十號衛(wèi)星進行在軌飛行,并于2020年1月成功在軌展開,驗證了多項基于形狀記憶材料的主動展開技術。該結構與NASA在2017年進行空間飛行實驗的Roll-Out Solar Array (ROSA)柔性太陽能電池陣列均在兩側設置有可展開梁。與ROSA采用應變能儲存原理不同,該結構采用基于形狀記憶聚合物復合材料豆莢桿,其明顯優(yōu)勢是借助形狀記憶材料在不同溫度下變剛度的特點,將結構收攏儲存在小體積狀態(tài),結構展開過程穩(wěn)定、無沖擊,但需通電加熱,耗費一定的星上資源。

    圖13 基于形狀記憶聚合物復合材料豆莢桿的柔性太陽能列陣展開過程[44]Fig.13 The deployment process of the flexible solar array based on SMPC lenticular tube[44]

    5 鎖緊釋放機構

    在眾多的形狀記憶聚合物/形狀記憶聚合物復合材料應用實例中,材料的形狀記憶性能是關注重點?;谛螤钣洃浘酆衔飶秃喜牧系闹悄苕i緊釋放機構除形狀記憶性能外,還需要考慮材料的形狀固定性能,該性能影響鎖緊釋放機構的鎖緊力。以下三種鎖緊釋放機構分別適用于不同鎖緊力需求的場景。

    Zhao等[45]研制了一種基于碳纖維增強環(huán)氧基形狀記憶聚合物復合材料的高負載能力的鎖緊釋放機構(如圖14所示)。該結構內(nèi)部為沙漏狀金屬芯,外部為碳纖維的體積分數(shù)為60%,纏繞角度為45°的形狀記憶聚合物復合材料套筒。鎖緊狀態(tài)下,外部套筒被壓緊至金屬芯,可承受軸向拉力;當再次加熱外部套筒時,套筒回復其初始圓柱形狀,可輕松與金屬芯分離。該機構的鎖緊力可隨著形狀記憶聚合物復合材料套筒的壓痕數(shù)量、壓痕深度的增加而增加,但壓痕深度越大,套筒表面損傷增大。圖14顯示了鎖緊釋放機構的釋放過程,時間為28 s[45]。該鎖緊釋放機構的鎖緊力可達4000 N,具有結構簡單、無瞬時沖擊、清潔、靜音、成本低等優(yōu)點。不同于傳統(tǒng)火工品鎖緊釋放機構在航天器上最終使用的產(chǎn)品不是在地面進行過實驗的產(chǎn)品,該機構可在地面進行多次檢驗后投入使用,但其相較于傳統(tǒng)火工品鎖緊釋放機構質(zhì)量和體積較大。

    圖14 鎖緊釋放機構釋放過程[45]Fig.14 The release process of the release device[45]

    Wei等[46]開發(fā)了三種基于碳纖維增強苯乙烯基形狀記憶聚合物復合材料的智能鎖緊釋放機構(如圖15所示):“蓮花”型,“八爪”型和“竹子”型,其配合段部件的變形模式分別為:彎曲,扭曲和收縮。通過進行拉伸試驗獲得了“蓮花”型和“竹子”型裝置的鎖定載荷,其中“竹子”型裝置的最大載荷為430 N,高于“蓮花”型裝置的284 N[46]?!鞍俗Α毙脱b置由于試驗過程中爪子和形狀記憶聚合物復合材料圓筒脫粘,未能完成鎖緊力測試[46]。三種智能鎖緊釋放機構都可以在不到30 s內(nèi)完全釋放。與傳統(tǒng)的爆炸螺栓釋放裝置不同,新裝置中沒有火藥,降低了成本,減少了分離過程中的沖擊和污染。但智能鎖緊釋放裝置的鎖緊力低,致使應用受限,僅適用于鎖緊力需求102N量級的應用場景。

    圖15 智能鎖緊釋放裝置[46]Fig.15 Smart release devices[46]

    Zhang等[47]提出了一種適用于小型機構的基于形狀記憶聚合物復合材料的超輕釋放裝置。該裝置所用的形狀記憶聚合物復合材料板初始狀態(tài)為平直板,可變形為U型鉤實現(xiàn)鎖定;其上通過絲網(wǎng)印刷技術印有加熱電路;通電可使形狀記憶聚合物復合材料板回復平直狀態(tài)。圖16為該裝置在3U立方體衛(wèi)星上進行的展開試驗,3 V電壓驅(qū)動條件下,太陽能帆板在24 s完成展開[47]。該裝置進行了形狀記憶循環(huán)試驗和高低溫試驗,證實了其具有良好的可重復使用性和可靠的鎖定性能。該裝置具有重量輕、結構小巧簡單、集成度高、成本低等優(yōu)點,然而鎖緊力較低,故應用僅限制于小型可展開結構。

    圖16 3U立方星太陽能帆板展開過程[47]Fig.16 The release process of the solar array on a 3U CubeSat[47]

    6 結 論

    針對基于形狀記憶聚合物及其復合材料的空間結構的研究已開展多年,在結構研制及性能測試方面積累了堅定的基礎。鑒于形狀記憶聚合物及其復合材料具有良好的抗空間輻射性、穩(wěn)定的形狀記憶性能、合適的機械性能、簡單有效的激勵方法和易于加工等性能,多種基于形狀記憶聚合物復合材料的可展開鉸鏈、可展開桁架、可展開太陽能電池陣列、鎖緊釋放機構的結構被開發(fā);部分結構(EMC鉸鏈、重力梯度桿、太陽光激勵的柔性基板,基于形狀記憶聚合物復合材料豆莢桿的柔性太陽能列陣)已完成了在軌飛行試驗,證實了該材料或結構在航天領域應用的可行性;但是大多數(shù)基于該類材料的結構僅完成地面檢驗試驗。在后續(xù)研究工作中,針對以上不同結構有以下問題值得探索:

    1) 可展開鉸鏈

    具有不同結構形式和力學性能的基于形狀記憶聚合物復合材料的可展開鉸鏈已被開發(fā),可適用于不同的應用場景。但研究人員未對鉸鏈展開精度和速率進行主動控制,該方面是之后研究工作的重點。同時,我們需要設計鉸鏈接口,使其靈活匹配各種任務需求。

    2) 可展開桁架

    基于形狀記憶聚合物復合材料的可展開桁架展開可靠,具有較大的展開/收攏比。但為實現(xiàn)可展開桁架的逐級可控展開,需在各級形狀記憶聚合物復合材料層合板變形處貼覆電加熱膜和熱敏電阻等元器件,由此引入的線路會增加載荷重量,優(yōu)化線路設計將是之后工作的重點之一。

    3) 可展開太陽能電池陣列

    Y=-900.6228+0.032337X 1+0.043653X 2-51.58683X 3-25.54347X 4-10.13060X 5+4.818238X 6

    目前為止,多數(shù)基于形狀記憶聚合物復合材料的太陽能電池陣列處于原理樣機階段。太陽能電池陣列的開發(fā),除在結構形式創(chuàng)新外,需根據(jù)整體結構的力學性能進行形狀記憶材料的選擇,以保證太陽能電池陣列在收攏狀態(tài)下的基頻不與安裝本體的頻率相耦合,在展開狀態(tài)下其基頻不與安裝本體的姿態(tài)控制系統(tǒng)相互干擾。

    4) 鎖緊釋放機構

    相較于以金屬作為主要材料的傳統(tǒng)鎖緊釋放機構,以高分子聚合物作為主要材料的智能鎖緊釋放機構存在明顯的松弛和蠕變,開發(fā)形狀固定率高、承載能力大的形狀記憶材料和智能結構形式是之后工作的重點。同時,我們可改善結構的儲存環(huán)境以延長儲存壽命。但開發(fā)、探索更多的應用場景將是推廣該類結構應用的更為行之有效的方法。

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    具有形狀記憶效應的液晶彈性體研究進展
    中國塑料(2016年10期)2016-06-27 06:35:12
    SBS/PE—LD的強化交聯(lián)與形狀記憶效應研究
    中國塑料(2016年8期)2016-06-27 06:34:44
    層合板上層建筑側壁抗空爆性能研究
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    基于玻璃纖維增強隔音復合材料的層合板的隔音性能
    濕熱環(huán)境對CCF300復合材料層合板的載荷放大系數(shù)影響
    基于形狀記憶材料的紡織設計發(fā)展與應用
    河南科技(2015年1期)2015-02-27 14:20:19
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