形狀記憶聚合物材料與航空航天

01導(dǎo)語(yǔ)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(chǎng)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(shì)，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(kāi)發(fā)出來(lái)。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(jiàn)的航空航天SMP材料02典型記憶聚合物材料簡(jiǎn)介常見(jiàn)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(shì)。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(kāi)發(fā)出來(lái)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(guò)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(kāi)發(fā)出來(lái)。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(duì)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(duì)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(duì)SMP性能的影響。

不同增強(qiáng)相對(duì)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(lái)源于鳥(niǎo)兒在空中自由飛行的過(guò)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(lái)飛機(jī)應(yīng)該擁有一些技術(shù)來(lái)改變機(jī)翼幾何構(gòu)型來(lái)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(guó)CRG公司（CornerstoneResearchGroup）提出了基于SMPC的無(wú)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(kāi)的狀態(tài)而變形。在高溫下，SMPC材料處于橡膠彈性狀態(tài)，無(wú)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(guó)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(guò)程與SMA線增強(qiáng)的SMPC和彈性鋼片增強(qiáng)的SMPC的部署過(guò)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(lái)測(cè)量變形機(jī)理，選用布拉格光柵測(cè)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(duì)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(duì)探索越來(lái)越難以進(jìn)入的空間環(huán)境以及對(duì)更多、更復(fù)雜的有效載荷的需求，使得對(duì)可展開(kāi)系統(tǒng)的需求激增。但隨著系統(tǒng)越來(lái)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_(kāi)系統(tǒng)部署的可行手段。而通過(guò)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(kāi)太陽(yáng)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(kāi)系統(tǒng)具有一個(gè)完整的旋轉(zhuǎn)周期，可通過(guò)對(duì)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(kāi)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(lái)實(shí)現(xiàn)。該結(jié)構(gòu)可以折疊成圓盤(pán)狀，也可以折疊成圓錐狀，其面積變化超過(guò)10倍。在加熱的環(huán)境中，該機(jī)構(gòu)經(jīng)過(guò)40s逐漸展開(kāi)，首先是系統(tǒng)整體的旋轉(zhuǎn)，之后呈放射性膨脹展開(kāi)，如下圖所示。其它科學(xué)家提出了一種基于SMP的可展開(kāi)鉸鏈，并利用該鉸鏈設(shè)計(jì)了可變形襟翼和可展開(kāi)結(jié)構(gòu)。同樣，該結(jié)構(gòu)通過(guò)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(kāi)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(kāi)