面向火星探测的环氧形状记忆聚合物复合材料的性能研究

国家火星探测任务是建设航天强国进程中的重大标志性工程,是中国航天走向更远深空的里程碑工程.智能材料这种集材料、结构和功能于一体的先进材料将会对火星探测任务有所助力.形状记忆聚合物及其复合材料作为一种典型的智能材料,可在有效减轻载荷的同时实现自主变形,已经在地球同步轨道航天器的应用中崭露头角.因此有必要研究这种新型环氧基形状记忆聚合物复合材料应用于火星探测工程的可能性.首先,针对“天问一号”火星探测器的任务需求,设计了一个具有自释放功能的着陆平台国旗装置.其中的锁紧释放装置由碳纤维增强的形状记忆聚合物复合材料制成,分别从静态拉伸力学性能、动态热机械性能和形状记忆性能三个角度评估了空间辐照和长期存储对形状记忆聚合物复合材料的影响.其中,空间辐照包括γ射线和紫外射线,辐照剂量分别为5×10^(5)rad和23.6 kCal.长期存储分为低温-196℃、室温25℃和高温85℃存储30天,和低温-196℃存储457天两组实验.最后,从“祝融号”火星车所携带相机拍摄的照片可以看到五星红旗被成功释放,旗面平整、图案清晰.这说明所研究的环氧基形状记忆聚合物复合材料可成功应用于火星探测任务,未来有望以多种结构形式助力我国的火星采样返回乃至其它深空探测任务.

基于形状记忆聚合物复合材料的双向形状记忆行为

为了解决当前大多形状记忆聚合物仅能实现单向形状记忆效应的难题,将TDE-86环氧树脂改性的氢化双酚A型形状记忆环氧树脂和以聚丁二烯为软段的聚氨酯弹性体相结合,制备了一种具备层合结构的形状记忆聚合物复合材料。该复合材料通过形状记忆环氧树脂产生的回复力与预拉伸聚氨酯弹性体产生的收缩力之间的平衡从而实现无应力下的双向形状记忆行为,即在90~110℃温度范围内,加热弯曲而冷却反向弯曲。结果表明:聚氨酯弹性体预拉伸量越大,材料在整个温度范围内的弯曲程度也越大;当回复温度在形状记忆环氧树脂玻璃化温度及以上时,材料回复程度较大;增加聚氨酯弹性体厚度会增大材料初始的弯曲程度,但会减小材料在双向形状记忆过程中的变形和回复程度。

形状记忆聚合物复合材料的研究进展

形状记忆聚合物复合材料已成为形状记忆材料的研究热点和重点,文中针对近年来形状记忆聚合物复合材料的最新研究进行了综述。分别对颗粒增强、纤维增强和颗粒纤维混合3类增强材料制备的形状记忆聚合物复合材料的结构与性能特点进行了分析和评述;着重阐述了形状记忆聚合物复合材料形状记忆效应的机理以及影响形状记忆行为的因素;分析了形状记忆聚合物复合材料研究中存在的问题,同时对形状记忆聚合物复合材料的应用前景进行了展望。

纤维增强形状记忆聚合物复合材料的热变形行为

通过将热力学内变量理论与Adam-Gibbs结构松弛模型相结合的方法,构建了适用于描述非晶态形状记忆聚合物(SMP)玻璃化转变过程中热变形行为的模型。在此基础上,利用复合材料细观力学分析方法进一步建立了纤维增强形状记忆聚合物复合材料(SMPC)热膨胀系数模型。模型中考虑了温度变化对基体弹性模量和泊松比在玻璃化转变过程中的影响。研究了一种含T300碳纤维增强相SMPC的热变形行为,结果表明,SMPC的各向热应变在升降温阶段几乎一致,仅在玻璃化转变附近微小分离;较快降温率导致的低温态热应变略小,而较快升温率导致平衡态温度更高; x向热应变随纤维倾角增大而增大,随纤维含量增大而减小。研究结果可对纤维增强SMPC的设计与应用提供一定理论参考。

形状记忆聚合物复合材料及其在空间可展开结构中的应用

综述了形状记忆聚合物复合材料及其在空间可展开结构中的应用。形状记忆聚合物是一种智能主动变形的高分子材料,该材料在外界激励作用下能够产生较大的可回复变形,可应用于智能主动变形结构。首先简述了形状记忆聚合物的研究现状,然后分别介绍了颗粒、短纤维和连续纤维增强的形状记忆聚合物复合材料的研究现状,并重点评述了三种复合材料的电-热致驱动变形性能。此外,本文还介绍了纤维增强形状记忆复合材料在空间可展开结构上的应用,主要包括可展开铰链、可伸缩梁和可展开天线等。

电致型形状记忆聚合物复合材料的研究进展

介绍了电致型形状记忆聚合物复合材料的最新研究进展,详细探讨了碳黑、碳纳米管、碳纤维等导电填料对形状记忆聚合物复合材料的电性能和形状记忆效应的影响,分析了电致型形状记忆聚合物复合材料在实际应用中存在的问题,并展望了未来的研究方向。

基于形状记忆聚合物复合材料航天航空可变形结构技术研究进展

形状记忆聚合物及其复合材料是一种在相应的外界刺激下可以在临时形状和初始形状之间进行切换的智能材料,具有低密度、低成本、可回复变形大,刺激方式可控等优点,在航天航空领域,如:空间可展开结构、锁紧释放机构、变体等,展现出来了巨大的应用潜力。这些应用大多处于开发阶段,一部分完成了地面功能验证,少部分进行了航天实验。本文首先总结了形状记忆聚合物(SMP)和形状记忆聚合物复合材料(SMPC)的分类,以及恶劣的空间环境因素下SMP的性能变化。随后总结了SMPC的空间可展开结构,包括:铰链、桁架、太阳能电池阵;SMPC的解锁释放结构;SMPC的变体结构以及基于4D打印的SMPC可展开结构的潜在应用。最后,对形状记忆材料和结构的发展前景进行了展望。

形状记忆聚合物复合材料在空间可展结构中的应用研究

传统的机械式可展开结构往往存在机械结构较复杂、质量较大、展开过程易产生振动的缺点,而形状记忆聚合物复合材料具有低成本、低密度、比强度大,展开过程平缓,振动小的特点,这些特点使其成为解决空间可展开结构现在面临问题的一种可能手段。介绍了基于形状记忆聚合物复合材料的空间可展开结构的发展近况,其结构简单、振动小等特点有望使其在未来的航天领域得到更多的应用。

形状记忆聚合物复合材料梁的弯曲变形

基于形状记忆聚合物(SMP)材料研制了热激励主动变形的纤维增强形状记忆聚合物复合材料(SMPC),对其动态力学性能进行了测试分析,应用有限元模拟分析法和层合板理论,得到SMP和SMPC悬臂梁的弯曲变形与刚度变化曲线。分析表明:SMPC材料抵抗变形的能力高于SMP材料。在等温度条件下,SMP梁和SMPC梁的变形与载荷呈线性关系;在等载荷条件下,SMP梁和SMPC梁的变形与温度呈非线性关系。SMPC的刚度特性使其在高温下应用领域得到拓展。

电致驱动巴基纸/形状记忆聚合物复合材料性能

为了研究不同质量比例石墨烯(few-layer graphene,FLG)和碳纳米纤维(carbon nanofiber,CNF)对混杂FLG/CNF巴基纸导电性能的影响,测量了FLG/CNF的质量比例由0提高至50%时巴基纸的体积电阻率,并检测了混杂FLG/CNF巴基纸的微观形态,通过实验还研究了FLG/CNF巴基纸增强形状记忆聚合物复合材料的电致驱动效应及温度场分布情况。试验结果表明:FLG/CNF巴基纸中碳纳米纤维填充了石墨烯片层间的空隙,碳纳米纤维和石墨烯片相互搭接形成连续网络;此外,巴基纸中碳纳米纤维和石墨烯比例的变化可导致巴基纸的电阻值发生改变。巴基纸增强形状记忆聚合物复合材料在90 s时完成了形状恢复,和试样初始形状相比,试样形状约恢复了95%。

磁场响应形状记忆聚合物复合材料的研究进展

磁场响应形状记忆聚合物(SMP)复合材料(MSC)是以SMP为基体树脂、磁性粒子为填料的一类复合材料。MSC的磁场响应原理:磁性粒子在交变磁场下产生热量,SMP因受热而产生相转变,从而实现了材料的形状回复。概述了SMP种类、外加磁场和磁性粒子对MSC磁场响应性的影响,重点阐述了磁性粒子的粒径、种类及其含量对MSC磁场响应性的影响。概括了MSC的研究现状和进展,展望了其应用前景。

MWCNT纳米纸/形状记忆聚合物复合材料导电性能研究

为了研究通过亲水性薄膜抽滤形成三维自组装多壁碳纳米管(multi-walled carbon nanotube,MWCNT)纳米纸的合成方法,并将纳米纸与形状记忆聚合物复合制备成热敏性电致驱动的导电纳米复合材料。通过将纳米管均匀分散,并控制压力采用真空抽滤方法获得纳米纸。采用高倍扫描电子显微镜观察纳米纸的结构和形态,显微照片显示多壁碳纳米管纳米纸具有连续紧密的网络结构并具有高导电性。试验结果表明:在测试温度范围内,纳米纸的电阻率随着温度的升高而逐渐下降;并且在恒定直流电作用下MWCNT纳米纸形状记忆聚合物复合材料由弯曲状恢复为平板状。

纤维增强形状记忆聚合物复合材料在空间可展开结构中的应用

当前,不同国家对于智能材料的结构研究,都着重于形状记忆聚合物材料方面。由于形状记忆聚合物复合材料,有着较为良好的热塑性、热固性特征,其在桁架、悬臂梁等大型空间结构中得到广泛应用。该文主要探讨纤维增强的形状记忆聚合物复合材料,在空间可展开结构中的应用,通过对复合材料玻璃化转变温度Tg的控制,可以满足多种可展开结构的使用需求。

形状记忆聚合物复合材料变形机理及航天应用

首先对形状记忆聚合物热力学性质的最新研究进展进行了综述,指出通过建立机械冻结份数和热冻结份数两个内变量参数能更好地反映该类材料的形状记忆和恢复特性。其次,对纤维增强形状记忆聚合物复合材料的折叠变形机理进行了分析,指出屈曲变形是该类材料实现较大弯曲折叠率的主要原因,但由于传统屈曲理论针对的是硬基体/纤维增强复合材料,其屈曲过程对应的是不可恢复的破坏过程,所以并不能有效分析该类软基体复合材料弯曲加载过程中的可恢复屈曲过程。在此基础上,提出了一个新的二维屈曲模型,通过对形状记忆环氧/碳纤维层合板的弯曲变形分析,发现理论预测值与实验观测结果较为接近,而且进一步给出了纤维屈曲的空间分布、最终破坏模式和可能的优化措施等。最后,简要介绍了该类复合材料在空间展开结构中的应用前景。

形状记忆聚合物复合材料可展开结构的研究进展

形状记忆聚合物(shape memory polymers,SMPs)作为一种新型的智能材料,在航空航天领域显示出巨大的前景。根据SMPs材料的变形机理、组成及结构将其与一定的增强相进行复合,可设计出具有低成本,展开过程平缓,振动小,高强度,导电性能优良的智能材料。本文主要介绍三种可用于SMPs复合材料展开结构的基体,以及每种基体制备形状记忆展开结构的方法,从宏观结构上对三种SMPs复合材料展开结构进行分类讨论,分析不同种类聚合物形状记忆的机理、力学性能、形状变化的固定率和回复率等,介绍SMPs复合材料在空间可展开结构中的应用。

电驱动形状记忆聚合物复合材料研究进展

电驱动形状记忆聚合物复合材料(SMPC)作为一种智能响应材料,得到了国内外广泛的研究。综述了国内外关于SMPC的研究现状,主要包括实现电驱动的原理、功能表征方法和材料类型。

形状记忆聚合物复合材料研究进展

形状记忆聚合物(Shape memory polymer,SMP)具有超高的形状回复率、形状记忆转变温度易调节、易赋形、密度小和成本低等优点,近年来受到广泛关注。但因力学性能较差、响应方式单一等不足,严重制约了它的应用。通过复合功能性填料可有效改善SMP的力学性能、形状记忆性能、导电和导热性能、丰富SMP响应方式,以满足应用需要。介绍形状记忆聚合物复合材料(Shape memory polymercomposite,SMPC)近些年的研究进展,从填料对SMP力学性能及响应方式的影响角度分别对力学增强型SMPC、电致型SMPC、磁致型SMPC和生物功能型SMPC进行论述,分析SMPC的应用前景及面临的挑战。

电刺激响应形状记忆聚合物复合材料的设计和驱动性能

与常见的液晶弹性体、介电弹性体和水凝胶等具有单一的膨胀、收缩和弯曲变化的形状可编程软材料相比,形状记忆高分子能够被灵活编程得到多样化的几何形状,且形状变化过程具有高度复杂性,成为智能可编程软材料研究领域的热点。形状记忆高分子是指能够感知外界环境变化的刺激(如温度、光、电、磁、pH、离子和水等)并响应这种变化,对其自身状态参数(如形状、位置、应变和应力等)进行调整,从而回复到预先设定状态的一类高分子材料。形状记忆高分子因具有可回复形变量大、响应温度便于调节、刺激响应方式丰富、材料属性多样化(热固性、热塑性、热适性和水凝胶)、形状记忆效应种类多(双形、多形、双向可逆、温度记忆和应力记忆)、赋形容易和可降解等特点,在生物医学、智能纺织品、航空航天、柔性电子等领域都展示出极为广阔的应用前景。其中热驱动形状记忆聚合物是目前研究最深入、应用最广泛的一类形状记忆高分子。但是热驱动方法需要对材料直接进行加热以实现形状记忆效应,限制了其在生物医学、航空航天和柔性电子等不能采用直接加热而实现驱动的体内环境或外空间环境领域的应用。为此,具有远程控制驱动的光、电和磁响应特性的形状记忆聚合物得到广泛发展,大大拓宽了形状记忆聚合物在屏蔽环境和非接触环境中的应用范围。然而,对于光响应性形状记忆聚合物,由于光线的穿透能力有限且不能辐照屏蔽的区域,其应用范围有限;对于磁响应形状记忆聚合物,目前具有磁场响应的材料种类非常少,而且需要专门产生磁场的装置,其应用和研究受到一定的限制。目前由于导电材料、随处可用的电源、人工肌肉、柔性电子、软体机器人和传感器等新兴领域中电刺激响应材料的广泛应用,使得电刺激响应形状记忆聚合物深受研究者关注。本文详细综述了电刺激响应形状记忆聚合物复合材料的设计制备方法、类型、导电性能、电驱动形状记忆性能和应用,最后概述了电刺激响应形状记忆聚合物材料存在的问题并展望了其未来发展方向。

氨纶增强形状记忆聚合物复合材料

氨纶增强形状记忆聚合物复合材料，它涉及一种形状记忆聚合物复合材料。本发明解决了现有形状记忆聚合物复合材料可回复应变低的问题。形状记忆聚合物复合材料由形状记忆聚合物材料和氨纶组成。本发明的氨纶增强形状记忆聚合物复合材料的可回复应变达到了10％以上，具有较大的可回复应变，再回复时又能够输出较大的外力。

形状记忆聚合物及其复合材料空间辐照环境效应研究进展

形状记忆聚合物及其复合材料具有密度低、可回复变形大、刺激方式可控、成本低等优点,可应用于空间可展开结构,但空间辐照环境对其在轨安全带来了严重的威胁。首先介绍了形状记忆聚合物及其复合材料的分类,接着总结了基于形状记忆聚合物的空间可展开结构应用现状,然后分析了高能电磁辐射、高能粒子辐射和原子氧等空间环境对形状记忆聚合物及其复合材料性能的影响,最后对形状记忆材料空间辐照环境效应的研究成果进行了总结并对未来发展方向进行了展望。