車用形狀記憶復(fù)合材料現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢

劉彥鵬 王童 陳軼嵩 金泰峰 付佩

（長安大學(xué)，汽車學(xué)院，西安710021）

主題詞：形狀記憶效應(yīng) 形狀記憶聚合物復(fù)合材料 汽車

1 引言

隨著時代的進步與發(fā)展，智能材料技術(shù)作為新興材料，其獨特之處在于它們能夠通過身體擁有的感知到外界環(huán)境的變化并做出反應(yīng)，如形狀記憶效應(yīng)（Shape Memory Effect，SME）是指在某一特定條件下通過塑性變形后，加熱到一定溫度后，材料完全恢復(fù)到變形前的現(xiàn)象[1]。

形狀記憶聚合物與最早發(fā)現(xiàn)的形態(tài)記憶合金相比，它具有制造工藝簡單、響應(yīng)速度快、質(zhì)量輕、可回復(fù)形變量大等優(yōu)點[2]。而形狀記憶復(fù)合材料與形狀記憶聚合物相比，它具有響應(yīng)方式多樣化以及承載能力強等優(yōu)點。通過向聚合物中添加功能顆?；蛟鰪娎w維的方式，可以制成形狀記憶聚合物復(fù)合材料（Shape Memory Polymer Composite，SMPC）[3]。

形狀記憶復(fù)合材料按向聚合物中添加不同物質(zhì)得到復(fù)合材料的數(shù)量種類不同，可以分為2種：顆粒記憶增強復(fù)合材料和纖維記憶增強復(fù)合材料[4]。

（1）顆粒增強復(fù)合材料主要是通過在其中添加一定量的碳化硅納米顆粒實現(xiàn)。

（2）纖維增強復(fù)合材料則是通過添加碳納米管纖維、碳纖維和短切玻璃纖維來達到加強效果。

2 形狀記憶復(fù)合材料的記憶原理及特性

2.1 形狀記憶復(fù)合材料記憶原理

形狀記憶復(fù)合材料的記憶全過程為，當(dāng)材料被加熱超過玻璃化轉(zhuǎn)變溫度后，使材料發(fā)生形變，為高溫形狀。此時對材料施加外力約束直到降低到低溫狀態(tài)，形變保留，當(dāng)材料再次被加熱后，自身形狀逐漸變?yōu)楦邷匦螤睢?/p>

其特性主要取決于材料中的兩相結(jié)構(gòu)，即固定相和可逆相。其中固定相能夠?qū)崿F(xiàn)保證材料的宏觀形狀以及相應(yīng)剛度，其主要為記憶材料的初始形狀，保證材料的交聯(lián)處不發(fā)生變化；可逆相能夠保證材料在變形記憶過程中的較大形變以及保持其臨時形狀不變[5]，為連接2交聯(lián)處的鏈狀結(jié)構(gòu)。

2.2 單程形狀記憶效應(yīng)

形狀記憶復(fù)合材料可以在高溫下制成任意形狀。當(dāng)變?yōu)榈蜏貢r，先進行形變處理，然后在高溫下加熱，變形還原，低溫下再重塑不能恢復(fù)為低溫時形狀。若要建立雙向外力效應(yīng)，需要給其施加的任何外力恒定不變，稱為非本征雙向外力效應(yīng)。因為單程效應(yīng)具有極高的經(jīng)濟性，在許多應(yīng)用場合都已經(jīng)普遍利用單向變形效應(yīng)結(jié)合變形效應(yīng)外力這樣的一種循環(huán)運動模型（圖1）。

圖1 單程形狀記憶效應(yīng)

2.3 雙程形狀記憶效應(yīng)

雙程形狀記憶效應(yīng)是經(jīng)由溫度的轉(zhuǎn)變來實現(xiàn)材料外形的轉(zhuǎn)變循環(huán)。即使在無任何外力的情況下，材料也能夠隨著溫度的變化，記憶2種不同的形狀（即高溫形狀與低溫形狀）。加熱時還原成高溫狀態(tài)，冷卻后還原成低溫狀態(tài)。溫度的上升和下降可以自發(fā)恢復(fù)高—低的形狀（圖2）。

圖2 雙程形狀記憶效應(yīng)

2.4 全程形狀記憶效應(yīng)

全程形狀記憶效應(yīng)是指在高溫條件下呈現(xiàn)1個高溫的形狀，低溫條件冷卻時呈現(xiàn)相同但是取向正好完全相反的1種形狀。只能在富鎳的鈦-鎳合金中才能找到[6]（圖3）。

圖3 全程形狀記憶效應(yīng)

形狀記憶復(fù)合材料除擁有上述特性外，還有價格低廉、驅(qū)動方式多樣化、回復(fù)性能優(yōu)良的優(yōu)點。

3 形狀記憶復(fù)合材料的分類

3.1 形狀記憶聚合物/SiC納米顆粒復(fù)合材料

3.1.1 記憶聚合物/碳納米管復(fù)合材料概述

形狀記憶聚合物具備變形能力強、形狀記憶效應(yīng)好的優(yōu)點。然而，與形狀記憶合金相比，它有低強度和低回復(fù)驅(qū)動的缺點。通過將碳化硅納米微粒在聚合物的基體上加入到材料中以提高該復(fù)合材料的彈性模量和回復(fù)性能，進而設(shè)計出了1種具有形狀記憶的復(fù)合材料。但是在納米顆粒含量大于40%時，形狀記憶復(fù)合材料的回復(fù)率會隨著納米粒子含量的增長而呈現(xiàn)有所降低的趨勢。

因為通過填充顆粒對形狀記憶材料的彈性模量和回復(fù)力貢獻有限，因此通過填充顆粒的形狀記憶復(fù)合材料一般被廣泛應(yīng)用作為各種功能性材料[7]。

3.1.2 研究現(xiàn)狀

目前，華南理工大學(xué)江鴻杰等采用粉末冶金梯級燒結(jié)法研制出碳化硅增強的形狀記憶復(fù)合材料。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，該復(fù)合材料除彈性模量高，其具有穩(wěn)定的線性超彈性和較高的基體壓縮強度[8]。

3.2 形狀記憶聚合物/碳納米管復(fù)合材料

3.2.1 記憶聚合物/碳納米管復(fù)合材料概述

一般而言，在形狀記憶聚合物中添加無機填料能夠明顯改善其低強度、低恢復(fù)應(yīng)力的缺點。碳納米管纖維(CNT)具有較高的長徑比，是常用的碳質(zhì)填料，少量添加便能對復(fù)合材料起到增強作用[9]。因其具有良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能，可通過加熱或直接施加電流的方法對形狀記憶復(fù)合材料產(chǎn)生刺激。

3.2.2 研究現(xiàn)狀

目前，因為碳納米管復(fù)合材料本身具有良好的性能以及其形狀記憶功能，此材料已應(yīng)用于航天器展開構(gòu)件和工程機械領(lǐng)域。

3.3 形狀記憶聚合物/碳纖維復(fù)合材料

3.3.1 形狀記憶聚合物/碳纖維復(fù)合材料基本性能

傳統(tǒng)纖維增強形狀記憶復(fù)合材料的可恢復(fù)應(yīng)變?yōu)?%～2%，主要考慮的是材料的承載性能，而不是材料在主動變形下的驅(qū)動特征。因此，常規(guī)樹脂基復(fù)合材料主要用于結(jié)構(gòu)承載，而不能作為類似于人工肌肉這種能產(chǎn)生主動大變形的驅(qū)動材料。而碳纖維形狀記憶復(fù)合材料是應(yīng)用于主動變形構(gòu)件。

添加碳纖維后的形狀記憶復(fù)合材料，經(jīng)特定結(jié)構(gòu)設(shè)計和適當(dāng)調(diào)節(jié)增強相含量后，既具有較好的形狀回復(fù)特性，又具有較好的的導(dǎo)電性[10]。

3.3.2 研究現(xiàn)狀

目前，CTD公司、CRG公司和哈爾濱工業(yè)大學(xué)已開發(fā)出碳纖維增強環(huán)氧樹脂形狀記憶聚合物復(fù)合材料。這些電驅(qū)動的材料具有高的可回復(fù)變形率和高的彈性模量，但在高溫等惡劣環(huán)境下難以滿足使用要求。

3.4 形狀記憶聚合物/短切玻璃纖維復(fù)合材料

2017年，劉云峰等以形狀記憶聚氨酯為基體，短切玻璃纖維為增強填料制備復(fù)合材料[11]。結(jié)果表明，短切玻璃纖維能夠提高形狀記憶聚合物的彈性模量，且對其玻璃化轉(zhuǎn)變的溫度影響較小。并且，形狀記憶復(fù)合材料的彈性模量隨著短切玻璃纖維含量的提高而提升。當(dāng)背景溫度為36℃，短切玻璃纖維的質(zhì)量分數(shù)為35%時，相較于形狀記憶聚氨酯基體，其復(fù)合材料彈性模量提高了約381%。

4 現(xiàn)階段形狀記憶復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用

4.1 形狀記憶復(fù)合材料在汽車應(yīng)用的特點分析

隨著我國現(xiàn)代能源汽車驅(qū)動科學(xué)與制造技術(shù)的飛速進步和不斷發(fā)展,人們對于電動汽車的駕駛舒適度、安全性等諸多方面都已經(jīng)提出了更高的技術(shù)要求，傳感器和驅(qū)動技術(shù)在汽車上得到了廣泛應(yīng)用。

通用汽車公司自90年代中期，就開始對形狀記憶復(fù)合材料進行了廣泛的應(yīng)用和研究，目前已經(jīng)申請200多項專利。其中，汽車工業(yè)應(yīng)用場景對形狀記憶復(fù)合材料有著獨特需求.其未來潛在的應(yīng)用領(lǐng)域見表1。

表1 形狀記憶復(fù)合材料在汽車領(lǐng)域上的潛在應(yīng)用

4.2 車用形狀記憶復(fù)合材料具體應(yīng)用

4.2.1 風(fēng)扇離合器

汽車的冷卻風(fēng)扇離合器采用由形狀記憶復(fù)合材料制作而成的元件。此形狀記憶元件為熱驅(qū)動，當(dāng)將要通過風(fēng)扇離合器的空氣超過某一特定溫度，螺旋彈簧將會受熱膨脹，使帶動風(fēng)扇的離合器結(jié)合，從而達到預(yù)期的轉(zhuǎn)速要求，使得發(fā)動機冷卻。隨著發(fā)動機溫度降低，當(dāng)經(jīng)過螺旋彈簧的氣流溫度降低到某一特定溫度后，螺旋彈簧將收縮，從而進行空轉(zhuǎn)[13]。

4.2.2 汽車輪胎防滑裝置

汽車輪胎的防滑釘會損壞無雪路面，因此，汽車產(chǎn)業(yè)在此方面應(yīng)用了可根據(jù)路面溫度狀況伸縮的形狀記憶復(fù)合材料防滑釘。當(dāng)路面無積雪時，高速滾動的車胎在地面摩擦導(dǎo)致輪胎溫度高，形狀記憶防滑釘受熱收縮，縮進輪胎；當(dāng)路面有積雪時，輪胎溫度降低，防滑釘受冷伸出輪胎，最終起到了既不損壞路面，又能便捷防滑的作用，形狀記憶復(fù)合材料輪胎如圖4所示。

圖4 形狀記憶復(fù)合材料輪胎

4.2.3 制動器儲能裝置

日本一些汽車公司將形狀記憶復(fù)合材料制成的儲能裝置安裝在制動器上，利用其超彈性將汽車制動和駐車制動中浪費掉的能量進行吸收儲存，實現(xiàn)了降低油耗和保護環(huán)境的效果。

4.2.4 防燃料蒸發(fā)氣體排放裝置

當(dāng)通電時，電磁線圈對由形狀記憶復(fù)合材料構(gòu)成的彈簧加熱，彈簧在高溫狀態(tài)下進行形變，將閥打開排出氣體；停止運行時，電磁力消失，溫度降低，形狀記憶彈簧回復(fù)在低溫時的狀態(tài)，其回復(fù)力將電磁閥關(guān)閉。

形狀記憶復(fù)合材料在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用還有變速器補償墊圈、A/C控制器、汽車霧燈保護裝置、換擋壓力控制閥等。

5 形狀記憶復(fù)合材料未來發(fā)展方向和汽車中的應(yīng)用趨勢

形狀記憶復(fù)合材料按驅(qū)動方式的不同劃分，主要有4種：熱驅(qū)動、電驅(qū)動、光驅(qū)動和溶液驅(qū)動[14]。其中熱驅(qū)動形狀記憶復(fù)合材料的激勵形式簡單、可回復(fù)形變量大，受到廣泛地研究。而在某些需要精確控制材料變形特別是微變形的場合，電驅(qū)動往往比熱驅(qū)動更加方便可行[10]，因其具有可遠程控制、響應(yīng)快速等優(yōu)點，這也是形狀記憶復(fù)合材料未來的發(fā)展方向，有著廣闊的前景。

通過比對多種形狀記憶復(fù)合材料的特性及當(dāng)前的應(yīng)用實例，形狀記憶復(fù)合材料憑借其獨有的形狀記憶性能，為解決汽車輕量化與安全性能之間的矛盾提供了新方向。

在未來，形狀記憶復(fù)合材料可作為1種緩沖吸能材料應(yīng)用于汽車安全領(lǐng)域，當(dāng)發(fā)生碰撞時，可以更好地進行乘員及車輛的保護。

6 結(jié)語

通過綜述、分析該領(lǐng)域的研究成果，可以發(fā)現(xiàn)，形狀記憶復(fù)合材料的添加材料類型不同，其特性不同，各有優(yōu)劣。目前研究熱點主要集中于如何更好地實現(xiàn)電驅(qū)動形狀記憶復(fù)合材料的性能提升及制備。

本文通過剖析形狀記憶復(fù)合材料在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)形狀記憶復(fù)合材料本身所具有的形狀記憶特性只有通過與常規(guī)材料相結(jié)合，才能夠得到充分利用。

目前的研究主要集中在以下的3個方面：

（1）如何在汽車零部件中應(yīng)對電子控制裝置的競爭；

（2）如何降低形狀記憶復(fù)合材料的成本；

（3）如何更好地將研究與開發(fā)形狀記憶復(fù)合材料工作與汽車工程研究人員合作配合。

雖然我國在醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域的形狀記憶復(fù)合材料研發(fā)處于世界上領(lǐng)先地位，但在汽車應(yīng)用領(lǐng)域與國際的先進制造水平還存在著一定差距。未來，隨著我國在形狀記憶復(fù)合材料與汽車產(chǎn)業(yè)的深入融合，車用形狀記憶復(fù)合材料將有更廣闊的發(fā)展空間。