形状记忆聚合物复合材料及其力学基础研究

【摘要】：形状记忆聚合物是一种新型的智能材料,它在热激励作用下能够产生较大的可回复变形。常规的树脂基复合材料主要考虑材料的刚度、强度等静态或准静态的力学承载性能。形状记忆聚合物及其复合材料主要考虑材料的驱动、变形等动态的力学致动性能,除具有结构承载性能外,还具有主动变形的功能特性。形状记忆聚合物及其复合材料的研究有望推动航空航天飞行器的智能主动变形结构(如空间可展开铰链和可变翼飞行器的机翼蒙皮)的发展。 本文研究了一种面向航天使用需求的环氧形状记忆聚合物,表征了其基本热-力学性能,并重点考察了其在模拟空间环境下的性能。在此基础上,完成了碳纤维增强的环氧形状记忆聚合物复合材料的制备和力学性能表征。此外,还重点完成了其在大挠度弯曲变形条件下的力学性能研究。最后,完成了基于该复合材料的空间可展开铰链结构的设计、研制和展开验证。 首先,本文作者所在研究小组自行合成了系列的环氧形状记忆聚合物,在此基础上,本文优选了一种较适用于航天使用要求的环氧形状记忆聚合物。结果表明,该材料不但化学稳定性和热-力学性能优良,而且其形状记忆性能良好,如在玻璃化转变温度附近的可回复应变较大(约为50%)。其在模拟空间环境(-100°C到+80°C温度环境、106Gy的γ射线辐射和8.7×10-4Pa的真空环境)的基本热-力学性能良好,玻璃化转变温度适宜(100°C),基本满足相关航天结构材料的使用要求。进一步,本文制备了碳纤维增强的环氧形状记忆聚合物复合材料,其在室温的力学性能与同类常规复合材料相当,其在大挠度弯曲变形条件下呈现纤维屈曲变形模式。在经历多次弯曲变形循环后,其变形回复率较高(5次以内100%,25次以内97%),且经辐射后(106Gy),其变形回复能力无明显衰变。 其次,本文在镍粉/形状记忆聚合物复合材料固化过程中施加一定强度的静态磁场,使得镍粉沿着磁场方向定向排布,待复合材料固化后,定向排布的镍粉被固定在复合材料中,形成非均匀微观结构。研究证明了镍粉成链结构对材料的力学性能和导电性能有增强作用。这种链状排布结构在经历多次循环变形后仍能保持其固有微观形貌,即保证了其电驱动性能的稳定性。 此外,本文建立了纤维增强形状记忆聚合物复合材料在大挠度弯曲变形条件下的屈曲分析力学模型,给出了材料屈曲变形关键参量的解析表达式。研究了单向纤维增强形状记忆复合材料的局部后屈曲行为,以根据基体和纤维的特性来预测材料的变形性能。处于弯曲变形状态的复合材料的横截面分为三个区域:非屈曲拉伸区、非屈曲压缩区和屈曲压缩区。引入三个变量:临界屈曲位置、中性面位置和纤维屈曲半波长。建立了系统能量的应变能表达式,且根据最小能量原理,得到了其在弯曲变形过程中关键参数的表达式,包括临界屈曲的曲率、临界屈曲位置、中性面位置、屈曲纤维的波长、屈曲纤维的振幅和复合材料的宏观应变等重要参量。当曲率由无穷小逐渐增大至某一临界曲率时,材料开始出现纤维屈曲。当曲率大于临界曲率时,材料中性面向外侧受拉区域移动,且临界屈曲位置逐渐向中性面靠拢,屈曲纤维的半波长相对稳定,而其振幅显著增大。随着基体剪切模量的升高,复合材料临界曲率和纤维屈曲振幅上升,纤维屈曲临界半波长下降,复合材料临界应变也上升。对形状记忆聚合物复合材料屈曲变形的关键参数进行了实验验证,证明了理论预测的准确性。通过碳纤维的屈曲变形,以较小的碳纤维的材料应变,获得了较大的复合材料的宏观应变,进而使其复合材料结构获得了较大的结构弯曲曲率。 最后,完成了基于纤维增强形状记忆复合材料的空间可展开铰链结构的设计、研制和展开验证。优化设计了形状记忆复合材料铰链驱动结构,其主要部件为两片背对的形状记忆复合材料片层结构,优化设计了该铰链片层的厚度、横截面的圆弧角度、固定端和加热方式等关键参数。研制了空间可展开铰链原理样机,实现了其电驱动展开(电压20V、功率28W、展开时间100s和展开角度140°),展开力矩在展开回复过程中减小。在地面模拟失重条件下,完成了该铰链驱动太阳能电池阵模型的演示验证。