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

杨菁　郭培俊　邓力伟　陈俊

摘 要：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。

关键词：纤维增强形状记忆聚合物 复合材料 空间可展开结构 应用

中图分类号：U416 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）01（c）-0078-02

形状记忆聚合物复合材料，是我国工程学科常用到的建筑施工材料，但单纯形状记忆聚合物在材料强度、刚度等方面性能较差，而纤维增强形状记忆聚合物有着较为优良的强度与变形回复力。桁架作为可展开结构的支撑平台，其中用到的铰接头、铰链驱动器等，即为纤维增强形状记忆聚合物复合材料，这一材料能保证桁架结构的打开与折叠收拢，也有着更高的可靠性、稳定性。

1 形状记忆复合材料与纤维增强形状记忆聚合物复合材料的特性

1.1 形状记忆聚合物复合材料的特性

形状记忆复合材料具有变形回复力大、应变力大特征，但由于形状记忆复合材料在承受较大应力状态下，其应变能力无法满足材料自身的变形恢复要求，因此要进行形状记忆聚合物复合材料结构的研究。当前我国所研究的形状记忆复合材料，主要包括粉链状复合材料、短纤维增强形状记忆复合材料、纤维增强形状记忆复合材料等，其中纤维增强形状记忆聚合物复合材料，是该研究的重点方向。

现阶段空间可展开桁架结构，通常包含梁体、铰链驱动器、对角拉索和铰接头等组成构架，其中铰接头、铰链驱动器等，是利用形状记忆复合材料进行展开与折叠的空间结构。在运用铰链驱动器对桁架空间结构进行展开过程中，会对其支撑的电池板、卫星等航天器产生冲击，所以将纤维增强形状记忆聚合物复合材料应用到空间可展开结构中，可以有效增强驱动结构刚度、应变力，保证桁架结构展开与折叠的可靠性、稳定性。

1.2 纤维增强形状记忆聚合物复合材料的特性

纤维增强形状记忆复合材料在无热力或力学作用情况下，材料本身有着较高的强度、力学承载性能，但其主动变形、变形回复力性能较弱。而随着碳纤维增强形状记忆复合材料的研究，形状记忆复合材料本身的形状恢复力开始增强，并广泛应用到空间可展开桁架结构中，其具有的熱力学机械变形过程如图1所示。根据图1可以看出，碳纤维增强形状记忆复合材料，会在玻璃化转变温度Tg的影响下，发生相应弯曲变形与回复。当环境温度T

2 空间可展开桁架结构与形状记忆铰接头设计

2.1 空间可展开桁架结构的设计

桁架作为多种工业建造物或航天器的支撑平台，主要包括梁体、铰链驱动器、对角拉索和铰接头等组成结构，具体如图2所示。横梁、纵梁等梁体结构通常使用树脂基复合材料，进行整个桁架薄壁杆结构的搭建，树脂基复合材料有着优良的刚度、形变特性，能够承载大轴向与压力。而铰链驱动器和对角拉索等构件，则分别采用铝合金、钢丝绳材料制成，其中铰链驱动器可以有效保障，对角拉索连接两个固体之间的相对转动。对角拉索主要起到维持桁架均匀张力和应力，以及提升可展开桁架结构刚度的作用。最后铰接头是铰链驱动器的连接环节，也是整个桁架结构中唯一使用形状记忆复合材料的部分，主要负责桁架结构展开、折叠收拢动作的完成。在铰接头被加热至Tg以上时，其本身会由于外力作用发生可控形变，使桁架结构逐渐收拢，温度降低后维持此形态不变。而当环境温度再次升高至Tg以上后，铰接头会回复至原始状态，桁架结构也会在其作用下展开。

2.2 形状记忆聚合物铰接头的结构设计

通过以上分析可以得出，桁架铰接头是由形状记忆聚合物复合材料制作而成，其会在电加热或其他热力学因素作用下，而发生刚度、强度或可恢复形变性能的变化。因此形状记忆聚合物铰接头材料，通常包含形状记忆聚合物复合材料层、电加热层、外部防护层等层级组成，其中电加热层主要用于传导外界加热的能量，而形状记忆聚合物复合材料层会在加热使发生形变，并支撑整个桁架结构的展开、折叠。其中电加热层是上、下都覆盖金属加热膜的三层结构，具有绝缘性、耐温性优良的特征。铰接头的形状记忆复合材料层、加热膜与芯模存在着紧密连接，通过螺钉来完成不同零件的组合。

3 纤维增强形状记忆复合材料在空间可展开结构中的应用研究

在以环氧树脂为基体、碳纤维为增强材料，采用0°/90°/0°铺层方式，进行1mm形状记忆复合材料的制备，可以保证形状记忆聚合物复合材料均匀承受横向、轴向等方面作用力。在利用纤维增强形状记忆复合材料，进行空间可展开结构搭建的过程中，需要先对形状记忆复合材料加热，加热温度为114℃（玻璃化转变温度94℃），降温后保持该复合材料的折叠构型。之后再次对形状记忆复合材料进行升温操作，温度上升至114℃，片材形状开始逐渐恢复至原始状态（非匀速恢复），形状记忆复合材料恢复过程基本在60s后完成恢复。

而大型可展开桁架结构由于其整体体积大、重量轻，所以其受到空间重力的影响大。因此需要通过桁架结构的多点悬挂方式，来抵消掉桁架展开过程中自身摩擦、重力等要素，对桁架应力、可恢复形变的影响。空间可展开桁架在悬挂框架的悬挂点上，设置有相隔较远的数个铰接头，对这些铰接头进行温度上升、下降的控制工作，可以保证桁架展开、折叠收拢流程的实现。在空间可展开桁架结构收拢的情况下，对桁架铰接头进行升温操作，温度升高至114℃，这时相邻两悬挂点间的横梁，会沿着桁架纵轴进行120°左右的扭转变形。而在桁架铰接头温度下降至Tg=94℃以下后，桁架会保持其现有扭转形态。之后再将桁架铰接头温度上升至114℃，铰接头会按照原有的扭转变形，逐渐恢复至原始构型状态（非匀速）。通过对可展开桁架结构的铰接头，进行10次形变回复的循环操作，得出该纤维增强形状记忆复合材料的形变恢复率达到97%以上，因此其可以满足大型可展开桁架结构的工作需求。

4 结语

在非均匀温度场或外力等作用下，形状记忆聚合物材料会在一定时间内，发生10%～100%的变形。对于大型桁架空间可展开结构的设计，需要用到形状记忆聚合物复合材料，且对其强度、刚度和热力学性能提出较高要求。因此通过纤维增强形状记忆聚合物复合材料，应用到桁架空间可展开结构的铰链驱动器、铰接头等部件中，能够有效减少桁架重力、自身摩擦力等，对桁架应力、可回复形变造成的负面影响，提高桁架在短时间内展开与收拢的效率，并为轻量化、大型化可展开空间结构的构建提供相应参考。

参考文献

[1] 袁玉华，秦志刚.碳纤维纬编针织复合材料弯曲性能研究[J].上海纺织科技，2017，45（9）：7-10.

[2] 杨仁寅，何玉厚，吴红亮.单层和多层金属蜂窝板压缩和弯曲性能的比较[J].轻金属，2017（6）：53-55.

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2020-07-13