摘要

形狀記憶聚合物基復(fù)合材料（SMPCS）憑借其輕量化特性，以及在形狀回復(fù)過程中能夠輸出驅(qū)動(dòng)力的優(yōu)勢(shì)，成為航空航天領(lǐng)域極具發(fā)展前景的材料；而驅(qū)動(dòng)力的大小則取決于復(fù)合材料層合板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

本研究采用碳纖維預(yù)浸料與環(huán)氧樹脂基形狀記憶（SM）中間層交替鋪層的方式制備形狀記憶聚合物基復(fù)合材料。試驗(yàn)設(shè)置的復(fù)合材料鋪層層數(shù)為2–8層，并選取了兩種中間層厚度規(guī)格（鋪層階段厚度分別為100μm和200μm）。通過模壓成型工藝完成復(fù)合材料的固化成型，中間層厚度則借助邊緣溢膠的方式實(shí)現(xiàn)減薄。隨后對(duì)復(fù)合材料施加熱-力學(xué)循環(huán)，完成形狀記憶效應(yīng)的程序化設(shè)定。

測試結(jié)果顯示，絕大多數(shù)形狀記憶聚合物基復(fù)合材料的形狀固定率與形狀回復(fù)率均超過90%；其中，200μm中間層+6層鋪層的層合板表現(xiàn)最優(yōu)，其形狀固定率與形狀回復(fù)率分別達(dá)到94.8%和95.7%。較厚中間層對(duì)材料性能的提升效果并未體現(xiàn)出顯著性，這表明需針對(duì)性制定專屬的制備工藝。基于上述研究結(jié)果，本研究進(jìn)一步設(shè)計(jì)了一套實(shí)驗(yàn)室尺度的制備流程—以200μm中間層+2層鋪層的層合板為基體，嵌入微型加熱器，成功制備出一款智能驅(qū)動(dòng)器件。該器件被程序化設(shè)定為L型（彎折角度90°），在施加24V電壓的條件下，90秒內(nèi)即可回復(fù)86.2°，最大角速度達(dá)1.55deg/S。

1.簡介

形狀記憶聚合物（SMPS）屬于刺激響應(yīng)型材料的范疇。這類材料的核心特性是在外界刺激作用下發(fā)生形變，且能維持形變狀態(tài)直至再次施加觸發(fā)刺激，方可恢復(fù)初始形態(tài)。形狀記憶效應(yīng)可通過多種能量源激活，例如熱能、光能、電能以及磁能等，其中熱驅(qū)動(dòng)型形狀記憶聚合物的應(yīng)用最為廣泛。熱固性樹脂與熱塑性樹脂兩類體系均具備形狀記憶性能，典型材料包括環(huán)氧樹脂、聚氨酯、聚酰亞胺以及聚乳酸（PLA）；在聚合物基體中摻入碳納米管等高導(dǎo)電性納米材料，可有效提升材料的導(dǎo)熱性能。功能材料的引入有助于增強(qiáng)形狀記憶聚合物的各項(xiàng)性能，例如提高可回復(fù)應(yīng)變與回復(fù)載荷。將這類功能材料復(fù)合形成形狀記憶聚合物基復(fù)合材料（SMPCS） 后，其應(yīng)用領(lǐng)域拓展至航空航天構(gòu)件、生物醫(yī)用器件、形狀記憶陣列、柔性機(jī)器人以及4D打印等高價(jià)值場景。金屬合金同樣具有形狀記憶效應(yīng)，鎳鈦合金就是典型的形狀記憶合金（SMAS）。不過，采用機(jī)械加工等傳統(tǒng)工藝難以制備形狀記憶合金構(gòu)件，而選擇性激光熔化技術(shù)的應(yīng)用則取得了良好效果。在航空航天領(lǐng)域，形狀記憶聚合物及其復(fù)合材料可有效減輕載荷、減小占用體積，為結(jié)構(gòu)的重新設(shè)計(jì)創(chuàng)造了條件；太陽能電池陣、可展開結(jié)構(gòu)、伸展臂以及鉸鏈?zhǔn)悄壳把芯孔疃嗟膸最悜?yīng)用方向。該領(lǐng)域所用的形狀記憶聚合物基復(fù)合材料通常以碳纖維（CFS）作為增強(qiáng)體，碳纖維的加入不僅能最大化提升復(fù)合材料的力學(xué)性能，還可充分利用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRPS）已趨成熟的制備工藝技術(shù)優(yōu)勢(shì)。近年來，多項(xiàng)研究證實(shí)，碳纖維增強(qiáng)形狀記憶聚合物基復(fù)合材料適用于制備變體結(jié)構(gòu)、太陽帆、太陽能電池陣伸展臂以及反射器。這是因?yàn)榇祟悘?fù)合材料在形狀回復(fù)過程中能夠輸出驅(qū)動(dòng)力，這一特性使其在可展開系統(tǒng)中具備獨(dú)特的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。但需要注意的是，形狀記憶聚合物基復(fù)合材料的形狀回復(fù)過程需要消耗一定時(shí)間，且必須經(jīng)過新一輪的形狀記憶循環(huán)才能再次進(jìn)入形變狀態(tài)；因此，這類智能材料的形狀記憶效應(yīng)被定義為單向柔性驅(qū)動(dòng)。形狀記憶聚合物基復(fù)合材料層合板的驅(qū)動(dòng)力通常在12–30N的區(qū)間內(nèi)，回復(fù)時(shí)間約為150S，這一性能參數(shù)能夠滿足航天展開作業(yè)的需求。具體而言，自展開結(jié)構(gòu)可在折疊收納狀態(tài)下完成發(fā)射，進(jìn)入軌道后再執(zhí)行展開動(dòng)作。然而這類結(jié)構(gòu)的制備難度較大，借助創(chuàng)新制造技術(shù)則可突破部分技術(shù)瓶頸。例如，采用4D打印技術(shù)既能優(yōu)化材料利用率，還能使制件獲得優(yōu)異的彎曲強(qiáng)度（806MPa）與彎曲模量（47.2GPa），同時(shí)實(shí)現(xiàn)98%的高形狀固定率（\(R_f\)）與99%的高形狀回復(fù)率（\(R_r\)）。有研究通過調(diào)整纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)探索了單向碳纖維的應(yīng)用效果，結(jié)果表明，在形狀記憶環(huán)氧樹脂基體中摻入37wt%的碳纖維時(shí)，材料的回復(fù)應(yīng)力可從16MPa提升至47MPa。此外，單向碳纖維增強(qiáng)形狀記憶聚合物基復(fù)合材料可實(shí)現(xiàn)9.6%的高可逆宏觀應(yīng)變，這一特性使其適用于制備航天折疊結(jié)構(gòu)。除單向纖維外，織物也可作為增強(qiáng)體使用，但纖維的編織方式會(huì)對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能與形狀記憶性能產(chǎn)生顯著影響。研究表明，機(jī)織增強(qiáng)體不僅能提升復(fù)合材料的力學(xué)性能，還可使其形狀回復(fù)率超過98%、形狀固定率超過90%。已有研究基于亥姆霍茲自由能分解原理，構(gòu)建了機(jī)織織物增強(qiáng)形狀記憶聚合物基復(fù)合材料的三維各向異性熱-力學(xué)模型。另有研究采用手糊成型工藝，在預(yù)浸料鋪層表面鋪設(shè)形狀記憶中間層，再通過模壓成型工藝完成固化；試驗(yàn)結(jié)果顯示，100μm中間層搭配2層層合板的結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)75%的形狀固定率與97%的形狀回復(fù)率。盡管航天可展開系統(tǒng)通常為一次性使用，但相關(guān)構(gòu)件仍需通過嚴(yán)苛的鑒定考核。在鑒定階段，通常需要驗(yàn)證構(gòu)件在經(jīng)歷多次形狀記憶循環(huán)后，能否維持其熱-力學(xué)性能穩(wěn)定。因此，形狀記憶聚合物基復(fù)合材料的耐久性成為這類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中需要考量的核心因素。研究表明，經(jīng)過10次形狀記憶循環(huán)后，材料的形狀記憶性能基本保持穩(wěn)定，回復(fù)載荷的波動(dòng)范圍僅為2%–6%。此前已有研究將含形狀記憶中間層的形狀記憶聚合物基復(fù)合材料置于空間環(huán)境中開展測試，結(jié)果顯示其驅(qū)動(dòng)力與形狀回復(fù)性能均表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。本研究中所用的未固化環(huán)氧樹脂粉末，與上述研究中制備泡沫材料及形狀記憶中間層的原料相同。本研究旨在設(shè)計(jì)可用于制備可展開系統(tǒng)主動(dòng)結(jié)構(gòu)的形狀記憶聚合物基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)?；诖四繕?biāo)，研究人員通過調(diào)整復(fù)合材料鋪層層數(shù)（1–8層）與中間層厚度（100μm和200μm）制備了多組試樣，開展了形狀記憶性能測試，提取并分析了層合板各項(xiàng)性能參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性。最后，通過在層合板結(jié)構(gòu)中集成局部熱源，制備出智能驅(qū)動(dòng)器件原型，并對(duì)其進(jìn)行了形狀記憶-回復(fù)性能測試。

2.材料與方法

2.1供應(yīng)材料

本研究采用0/90°平紋編織的航空級(jí)環(huán)氧樹脂碳纖維預(yù)浸料（比利時(shí)布魯塞爾索爾維公司生產(chǎn)，型號(hào)Cycom132977-2）制備形狀記憶聚合物基復(fù)合材料（SMPCS）。通過鋪設(shè)未固化環(huán)氧樹脂中間層，賦予材料形狀記憶性能；該環(huán)氧樹脂為藍(lán)綠色精細(xì)粉末形態(tài)（美國明尼蘇達(dá)州楓樹嶺市3M公司產(chǎn)品，型號(hào)Scotchkote206N），標(biāo)稱密度為1.44g/cm3。

2.2形狀記憶聚合物基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制備工藝

本研究共設(shè)計(jì)14種結(jié)構(gòu)方案，通過調(diào)整復(fù)合材料鋪層層數(shù)（2–8層）與形狀記憶中間層厚度（100μm、200μm）實(shí)現(xiàn)變量控制，每種結(jié)構(gòu)方案均制備2個(gè)試樣。

完整的制備流程如圖1所示。首先從供貨卷材中裁剪出標(biāo)稱尺寸為30×100mm2的碳纖維預(yù)浸料片材；分別稱取0.43g與0.86g未固化環(huán)氧樹脂粉末，對(duì)應(yīng)制備標(biāo)稱厚度為100μm與200μm的中間層。將粉末手工鋪設(shè)于預(yù)浸料表面，確保鋪層無空隙且分布均勻；隨后采用手糊成型工藝，按照預(yù)設(shè)方案完成疊層鋪放，得到未固化的形狀記憶聚合物基復(fù)合材料坯料。

將坯料放入型腔尺寸為30×100mm2的鋁制模具中進(jìn)行固化成型，模具與層合板之間鋪設(shè)聚乙烯薄膜以輔助脫模。采用熱板模壓成型工藝完成固化，固化參數(shù)為溫度200℃、壓力70kPa、保壓時(shí)間1h。待模具冷卻后，取出形狀記憶聚合物基復(fù)合材料試樣，隨即開展性能測試。

2.3測試

2.3.1層壓板特性鑒定

模壓成型后，對(duì)復(fù)合材料的物理及力學(xué)性能開展全面表征。采用萬能材料試驗(yàn)機(jī)（美國明尼蘇達(dá)州伊甸草原市MTS公司，型號(hào)InSight5），通過三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)測試形狀記憶聚合物基復(fù)合材料（SMPCS）的力學(xué)性能。為獲取材料的剛度與彈性模量參數(shù)，將每個(gè)試樣的形變量控制為1.5mm；試驗(yàn)加載速率設(shè)定為1mm/min，跨距為80mm。

2.3.2形狀記憶性能測試的溫度標(biāo)定

要激活所制備復(fù)合材料的形狀記憶效應(yīng)，需對(duì)其施加外加熱源。本研究采用熱風(fēng)槍加熱，使材料溫度升高至環(huán)氧樹脂的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（\(T_g\)）120℃以上。為確保材料達(dá)到所需的有效溫度，特開展溫度標(biāo)定試驗(yàn)，以此確定熱風(fēng)槍槍口相對(duì)于形狀記憶聚合物基復(fù)合材料（SMPCS）試樣的最佳定位參數(shù)。試驗(yàn)將K型熱電偶貼附于復(fù)合材料試樣的上表面，熱風(fēng)槍氣流則從試樣下表面進(jìn)行吹掃。溫度標(biāo)定試驗(yàn)的測試環(huán)境與后續(xù)形狀記憶性能測試保持一致，確保所有可能造成熱量散失的因素均被納入考量；試驗(yàn)裝置如圖2a所示。每次試驗(yàn)均調(diào)整熱風(fēng)槍槍口與試樣表面的間距，通過熱電偶實(shí)時(shí)記錄溫度變化數(shù)據(jù)。試驗(yàn)的初始間距設(shè)定為30mm，之后每次遞增10mm，直至間距達(dá)到70mm為止。所有試樣均先加熱300S，隨后自然冷卻300S，單次試驗(yàn)的總時(shí)長為600S。本次溫度標(biāo)定試驗(yàn)選用厚度最大的試樣（8層復(fù)合材料鋪層+200μm形狀記憶中間層）開展測試，該試樣因厚度較大，需要更長的加熱時(shí)間才能達(dá)到目標(biāo)溫度。

2.3.3形狀記憶熱-力學(xué)循環(huán)

本研究通過對(duì)所制備的層合板施加熱-力學(xué)循環(huán)，完成對(duì)其形狀記憶效應(yīng)的性能表征。采用與三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)相同的萬能材料試驗(yàn)機(jī)，在跨距80mm、加載速率1mm/min的條件下，對(duì)加熱后的層合板進(jìn)行三點(diǎn)彎曲形變，以此開展形狀記憶循環(huán)測試。由于本研究共設(shè)計(jì)了14種不同結(jié)構(gòu)的層合板，且各結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的層合板厚度存在差異，為排除厚度變量的干擾，所有形狀記憶測試均采用1%的恒定應(yīng)變進(jìn)行。完整的形狀記憶循環(huán)分為三個(gè)階段：首先將試樣預(yù)熱300S，隨后對(duì)加熱狀態(tài)下的試樣施加載荷，直至達(dá)到設(shè)定的1%應(yīng)變；接著關(guān)閉熱風(fēng)槍，在保持載荷約束的條件下，讓試樣自然冷卻300S；最后卸除載荷，此時(shí)試樣將維持形變狀態(tài)。此外，本研究還對(duì)試樣的回復(fù)載荷進(jìn)行了測試：先對(duì)受約束的層合板再次施加熱風(fēng)槍加熱（槍口與試樣表面的間距與形狀記憶測試時(shí)保持一致），持續(xù)300S后冷卻300S；最后再次用熱風(fēng)槍加熱已形變的形狀記憶聚合物基復(fù)合材料（SMPCS）試樣，使其完成自由回復(fù)過程。圖3展示了上述測試過程的典型曲線（測試試樣為8層鋪層+100μm中間層的形狀記憶聚合物基復(fù)合材料）。

2.4形狀記憶聚合物基復(fù)合材料器件的制備與測試

本研究選取200μm中間層+2層層合板的形狀記憶聚合物基復(fù)合材料（SMPCS）制備智能驅(qū)動(dòng)器件原型，器件內(nèi)部集成了一塊尺寸為25×50mm2的微型加熱器（美國康涅狄格州諾沃克市歐米茄公司產(chǎn)品，型號(hào)Khlva102/10），以此激活材料的形狀記憶性能。

該加熱器為柔性矩形器件，核心結(jié)構(gòu)是厚度0.001英寸（25.4μm）的因科鎳合金蝕刻電路，電路被兩層厚度各為0.002英寸（50.8μm）的聚酰亞胺薄膜封裝；加熱器的最大工作電壓為28V，功率密度達(dá)10W/平方英寸。根據(jù)微型加熱器的尺寸參數(shù)計(jì)算可得，其最大輸出功率為20W，最大工作電流為0.71A。

該智能器件采用多層復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具體制備流程如下：選用標(biāo)稱尺寸50×80mm2的復(fù)合材料預(yù)浸料鋪層，中間鋪設(shè)200μm厚的形狀記憶環(huán)氧樹脂中間層；先在底層預(yù)浸料表面鋪設(shè)100μm厚的中間層，隨后將微型加熱器精準(zhǔn)放置于中間層表面，再覆蓋100μm厚的中間層，最后鋪覆頂層預(yù)浸料完成疊層。為便于脫模，在復(fù)合材料疊層與鋁制模具之間鋪設(shè)了氟化乙烯丙烯（FEP）脫模膜。

器件的固化成型采用熱平板壓機(jī)模壓工藝，固化參數(shù)為溫度220℃、壓力5bar、保壓時(shí)間15min。待復(fù)合材料冷卻至室溫后脫模，隨后對(duì)器件進(jìn)行修邊處理，最終得到尺寸為35×80mm2的智能驅(qū)動(dòng)器件。圖4展示了該器件的疊層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案及成品實(shí)物。

本研究首先對(duì)該器件原型的厚度進(jìn)行了測量，隨后借助直徑為17mm的鋁制圓柱模具，將其彎曲定型為90°，完成形狀記憶程序化設(shè)定。

為研究器件的形狀回復(fù)性能，將內(nèi)嵌微型加熱器接通24V電源進(jìn)行加熱驅(qū)動(dòng)，同時(shí)采用紅外熱像儀（德圖公司，型號(hào)883）監(jiān)測溫度，確保材料達(dá)到激活形狀記憶效應(yīng)所需的閾值溫度。測試過程中對(duì)回復(fù)角度與角速度兩項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了定量表征，單次回復(fù)測試時(shí)長為90S。

3.結(jié)論

本研究制備的形狀記憶聚合物基復(fù)合材料（SMPCS），其物理及力學(xué)性能均值如表1所示。層合板的厚度隨復(fù)合材料鋪層層數(shù)的增加與中間層厚度的增大而上升；但存在一個(gè)例外——2層與3層層合板結(jié)構(gòu)中，采用200μm中間層制備的試樣厚度，略低于采用100μm中間層的試樣。

總體而言，200μm中間層試樣的密度相對(duì)更低，這是因?yàn)樵擃悓雍习褰Y(jié)構(gòu)中純環(huán)氧樹脂的占比更高；不過所有SMPCS試樣的密度數(shù)值均十分接近，其中最小值為1.35g/cm3（對(duì)應(yīng)4層與5層鋪層+200μm中間層的復(fù)合材料），最大值為1.41g/cm3（對(duì)應(yīng)2層、5層及7層鋪層+100μm中間層的層合板）。

層合板的剛度隨鋪層層數(shù)的增加而提升，且剛度的增長幅度與中間層厚度無明顯關(guān)聯(lián)，不同中間層厚度下的剛度數(shù)值相差甚微。此外，8層鋪層+200μm中間層的SMPCS試樣剛度為71.7N/mm，該數(shù)值低于同中間層厚度的7層試樣，同時(shí)也低于另一組（100μm中間層）7層與8層試樣的剛度（三者剛度分別為73.5N/mm、73.6N/mm和107.3N/mm）；但該試樣未觀察到明顯裂紋，因此后續(xù)實(shí)驗(yàn)仍繼續(xù)采用該試樣開展測試。

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理后，本研究進(jìn)一步計(jì)算了材料的彈性模量，其中100μm中間層+3層鋪層的SMPCS試樣彈性模量最高，達(dá)到49.2GPa。

本研究以2層層合板+200μm中間層的形狀記憶聚合物基復(fù)合材料（SMPCS）為基底，通過集成微型加熱器，制備出智能驅(qū)動(dòng)器件原型。該多層復(fù)合結(jié)構(gòu)的厚度因加熱器的嵌入產(chǎn)生顯著差異，具體測量數(shù)據(jù)顯示，含加熱器的器件厚度從無加熱器時(shí)的1.22±0.07mm降至0.63±0.06mm。為驗(yàn)證微型加熱器的工作性能，研究人員將器件接通24V電源，并通過紅外熱像儀同步采集溫度數(shù)據(jù)。監(jiān)測結(jié)果顯示，器件溫度經(jīng)初始階段的上升后，趨于穩(wěn)定并形成平均溫度為210℃的恒溫平臺(tái)，具體溫度變化曲線如圖6a所示。該智能器件的初始形態(tài)為平板狀，經(jīng)加熱、形變處理后被定型為臨時(shí)形態(tài)。完成形狀記憶程序化設(shè)定后，器件被加工為L型結(jié)構(gòu)，且表面未觀察到明顯裂紋。隨后在24V電壓驅(qū)動(dòng)下開展形狀回復(fù)測試，回復(fù)角度與角速度的變化曲線分別如圖6b、6c所示?；貜?fù)角度曲線呈S型特征：前60S內(nèi)回復(fù)角度快速增長，之后增長速率放緩?；诔跏?0°的彎折角度計(jì)算，60S時(shí)器件的回復(fù)角度已達(dá)74.6°，至測試結(jié)束（全程90S）時(shí)，回復(fù)角度進(jìn)一步提升至86.2°。角速度的變化規(guī)律則表現(xiàn)為：測試開始后快速上升，在45S時(shí)達(dá)到1.55deg/S的峰值；峰值過后角速度逐漸下降，測試結(jié)束時(shí)降至0.26deg/S。