形状记忆聚合物材料与航空航天

01导语记忆形状聚合物（ShapeMemoryPolymers，SMPs）是一种特殊类型的高分子材料，具有记忆性能。根据其回复原理可分为:热致型SMP、电致型SMP、光致型SMP、化学感应型SMP等。它们可以在受到外界刺激（如温度、光、电场或化学物质）后发生可逆形状变化，然后回到其原始形状。SMP存在许多潜在的优势，例如：与形状记忆合金（SMA）和形状记忆陶瓷相比具有更大的可回复变形、密度低、性能可调（Tg、模量、生物降解性等），最重要的是成本低。基于上述优点，SMP、形状记忆聚合物复合材料（SMPC）以及具备更多功能特性的新型SMP相继被开发出来。航天航空用的材料需要满足一系列的空间恶劣环境的考验，如高真空、热循环、紫外线辐射、原子氧、等离子体环境（离子和电子）、空间碎片等都有可能引起材料的退化，诱发元件或结构的损伤，降低系统的可靠性，甚至缩短航天器的使用寿命。所以航天航空用的SMP应该具有高模量，较高的Tg和环境耐久性。常见的航空航天SMP材料02典型记忆聚合物材料简介常见的形状记忆材料主要有SMA（形状记忆合金），SMP和SMPC（均为形状记忆聚合物）。与SMA相比，SMP具有质量轻、价格低廉、密度低、可塑造性好、变形能力强、可降解性好以及Tg可调等优势。反之，SMP与SMA相比，驱动力较小，然而其可回复应变较大，但是其低变形刚度和低回复应力在一定程度上限制了该类材料的应用。为了克服这些缺陷，SMPC被开发出来并在实际应用中得到了发展。SMPC具有更高的强度和模量，通过添加某些填料可以赋予其相应的功能。另外，一些多功能形状记忆材料，包括功能梯度SMP、双向SMP、自愈合SMP和SMP泡沫材料等也相继被开发出来。下表列出了SMA、SMP和SMPC的主要性能。不同类型形状记忆材料的性能对比根据增强材料的类型，一般可分为颗粒增强SMPC和纤维增强SMPC。颗粒增强SMPC，其增强相为镍粉、炭黑、碳纳米管和Fe3O4纳米颗粒等，多用于功能材料。纤维增强SMPC，其增强相包括碳纤维、玻璃纤维和凯夫拉尔纤维等，由于其良好的力学性能，通常被用作结构材料。对SMPC的研究表明，SMPC具有较高的强度、较大的回复力和较高的阻尼等特点，已被广泛应用于纺织、微电子、生物医学、航天航空等领域。下表概述了不同增强相对SMP性能的影响。

不同增强相对SMP性能的影响

真空环境下SMP的性能变化03在航天航空领域可变形结构的应用可变形飞行器可变形飞行器的概念来源于鸟儿在空中自由飞行的过程中可以根据气流和飞行目的改变翅膀的形状。基于任务需求的不确定性，未来飞机应该拥有一些技术来改变机翼几何构型来提高飞机的飞行性能。然而，翼型变化时，可变形蒙皮的设计也面临着挑战，不仅需要高强度以抵抗气动载荷，又需要保证光滑的气动表面。美国CRG公司（CornerstoneResearchGroup）提出了基于SMPC的无缝蒙皮的制造技术，即在连接部位使用SMP材料。机翼蒙皮可以基于铰链的收拢或展开的状态而变形。在高温下，SMPC材料处于橡胶弹性状态，无缝蒙皮容易折叠而不损伤，当再次加热温度时，形状可以回复到其初始形状。美国科学家们等提出了一种由SMP/SMPC组成的变形翼的概念，并将碳纤维增强的SMPC蒙皮的部署过程与SMA线增强的SMPC和弹性钢片增强的SMPC的部署过程进行了比较。结果表明，SMA线和弹性钢片增强的SMPC蒙皮比碳纤维增强的SMPC具有更高的回复速度。此外，其它科学家提出了变弧度机翼的概念，并进行了相关的实验来测量变形机理，选用布拉格光栅测量机翼的挠度。考虑到SMPC在高/低温下具有可变的力学性能，CHEN等制备了碳纤维增强的变刚度苯乙烯基SMPC管，并嵌入柔性硅橡胶蒙皮中。实验结果表明，变刚度SMPC管对变形蒙皮变形有显著影响：随着时间的增加，挠度逐渐增大。4D打印可变形结构随着航天事业的发展，对探索越来越难以进入的空间环境以及对更多、更复杂的有效载荷的需求，使得对可展开系统的需求激增。但随着系统越来越复杂，系统构成材料的固有行为成为实现大规模可展开系统部署的可行手段。而通过使用

4D打印技术，可以在可编程物质内嵌入和分布传感、控制和驱动元件，展示出了一种制造一体化的可行方法。科学家们提出了一种基于SMP的可展开太阳能电池板阵列概念，该结构采用商用打印机StratasysConnex3Objet500，利用FLX9895（Tg为35℃）和RGD835（Tg为65℃）两种材料制备而成。该自展开系统具有一个完整的旋转周期，可通过对该结构提前进行编程，在相应的环境刺激下完成其自展开功能，其可重构功能和结构稳定性利用组成材料的物理特性以及楔形单胞的结构来实现。该结构可以折叠成圆盘状，也可以折叠成圆锥状，其面积变化超过10倍。在加热的环境中，该机构经过40s逐渐展开，首先是系统整体的旋转，之后呈放射性膨胀展开，如下图所示。其它科学家提出了一种基于SMP的可展开铰链，并利用该铰链设计了可变形襟翼和可展开结构。同样，该结构通过商用打印机StratasysConnex3Objet500，利用与机器配套的专用材料进行制备。为了提高折纸结构的刚度和回复力，利用4D打印技术和形状记忆打印丝采用熔融打印的方式，设计并制备了以拉胀力学超材料为夹芯结构的4D打印SMP折纸结构，研究了夹芯结构的面内拉伸、三点弯曲和形状记忆性能，表征了折纸结构的快速响应、大收纳比和高回复率等性能，该结构在空间可展开天线中具有广阔的应用前景。展望基于智能材料的可展开