摘要

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

本研究采用碳纖維預浸料與環(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合材料。試驗設置的復合材料鋪層層數(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合材料的固化成型，中間層厚度則借助邊緣溢膠的方式實現(xiàn)減薄。隨后對復合材料施加熱-力學循環(huán)，完成形狀記憶效應的程序化設定。

測試結(jié)果顯示，絕大多數(shù)形狀記憶聚合物基復合材料的形狀固定率與形狀回復率均超過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率分別達到94.8%和95.7%。較厚中間層對材料性能的提升效果并未體現(xiàn)出顯著性，這表明需針對性制定專屬的制備工藝。基于上述研究結(jié)果，本研究進一步設計了一套實驗室尺度的制備流程—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)動器件。該器件被程序化設定為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86.2°，最大角速度達1.55deg/S。

1.簡介

形狀記憶聚合物（SMPS）屬于刺激響應型材料的范疇。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，方可恢復初始形態(tài)。形狀記憶效應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)動型形狀記憶聚合物的應用最為廣泛。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電性納米材料，可有效提升材料的導熱性能。功能材料的引入有助于增強形狀記憶聚合物的各項性能，例如提高可回復應變與回復載荷。將這類功能材料復合形成形狀記憶聚合物基復合材料（SMPCS） 后，其應用領域拓展至航空航天構(gòu)件、生物醫(yī)用器件、形狀記憶陣列、柔性機器人以及4D打印等高價值場景。金屬合金同樣具有形狀記憶效應，鎳鈦合金就是典型的形狀記憶合金（SMAS）。不過，采用機械加工等傳統(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的應用則取得了良好效果。在航空航天領域，形狀記憶聚合物及其復合材料可有效減輕載荷、減小占用體積，為結(jié)構(gòu)的重新設計創(chuàng)造了條件；太陽能電池陣、可展開結(jié)構(gòu)、伸展臂以及鉸鏈是目前研究最多的幾類應用方向。該領域所用的形狀記憶聚合物基復合材料通常以碳纖維（CFS）作為增強體，碳纖維的加入不僅能最大化提升復合材料的力學性能，還可充分利用碳纖維增強復合材料（CFRPS）已趨成熟的制備工藝技術優(yōu)勢。近年來，多項研究證實，碳纖維增強形狀記憶聚合物基復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。這是因為此類復合材料在形狀回復過程中能夠輸出驅(qū)動力，這一特性使其在可展開系統(tǒng)中具備獨特的應用優(yōu)勢。但需要注意的是，形狀記憶聚合物基復合材料的形狀回復過程需要消耗一定時間，且必須經(jīng)過新一輪的形狀記憶循環(huán)才能再次進入形變狀態(tài)；因此，這類智能材料的形狀記憶效應被定義為單向柔性驅(qū)動。形狀記憶聚合物基復合材料層合板的驅(qū)動力通常在12–30N的區(qū)間內(nèi)，回復時間約為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，進入軌道后再執(zhí)行展開動作。然而這類結(jié)構(gòu)的制備難度較大，借助創(chuàng)新制造技術則可突破部分技術瓶頸。例如，采用4D打印技術既能優(yōu)化材料利用率，還能使制件獲得優(yōu)異的彎曲強度（806MPa）與彎曲模量（47.2GPa），同時實現(xiàn)98%的高形狀固定率（\(R_f\)）與99%的高形狀回復率（\(R_r\)）。有研究通過調(diào)整纖維質(zhì)量分數(shù)探索了單向碳纖維的應用效果，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，材料的回復應力可從16MPa提升至47MPa。此外，單向碳纖維增強形狀記憶聚合物基復合材料可實現(xiàn)9.6%的高可逆宏觀應變，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，織物也可作為增強體使用，但纖維的編織方式會對復合材料的力學性能與形狀記憶性能產(chǎn)生顯著影響。研究表明，機織增強體不僅能提升復合材料的力學性能，還可使其形狀回復率超過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)建了機織織物增強形狀記憶聚合物基復合材料的三維各向異性熱-力學模型。另有研究采用手糊成型工藝，在預浸料鋪層表面鋪設形狀記憶中間層，再通過模壓成型工藝完成固化；試驗結(jié)果顯示，100μm中間層搭配2層層合板的結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)75%的形狀固定率與97%的形狀回復率。盡管航天可展開系統(tǒng)通常為一次性使用，但相關構(gòu)件仍需通過嚴苛的鑒定考核。在鑒定階段，通常需要驗證構(gòu)件在經(jīng)歷多次形狀記憶循環(huán)后，能否維持其熱-力學性能穩(wěn)定。因此，形狀記憶聚合物基復合材料的耐久性成為這類結(jié)構(gòu)設計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，回復載荷的波動范圍僅為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合材料置于空間環(huán)境中開展測試，結(jié)果顯示其驅(qū)動力與形狀回復性能均表現(xiàn)出良好的應用前景。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。本研究旨在設計可用于制備可展開系統(tǒng)主動結(jié)構(gòu)的形狀記憶聚合物基復合材料結(jié)構(gòu)。基于此目標，研究人員通過調(diào)整復合材料鋪層層數(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性能參數(shù)之間的關聯(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)動器件原型，并對其進行了形狀記憶-回復性能測試。

2.材料與方法

2.1供應材料

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

2.2形狀記憶聚合物基復合材料的結(jié)構(gòu)設計與制備工藝

本研究共設計14種結(jié)構(gòu)方案，通過調(diào)整復合材料鋪層層數(shù)（2–8層）與形狀記憶中間層厚度（100μm、200μm）實現(xiàn)變量控制，每種結(jié)構(gòu)方案均制備2個試樣。

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

將坯料放入型腔尺寸為30×100mm2的鋁制模具中進行固化成型，模具與層合板之間鋪設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、保壓時間1h。待模具冷卻后，取出形狀記憶聚合物基復合材料試樣，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，對復合材料的物理及力學性能開展全面表征。采用萬能材料試驗機（美國明尼蘇達州伊甸草原市MTS公司，型號InSight5），通過三點彎曲試驗測試形狀記憶聚合物基復合材料（SMPCS）的力學性能。為獲取材料的剛度與彈性模量參數(shù)，將每個試樣的形變量控制為1.5mm；試驗加載速率設定為1mm/min，跨距為80mm。

2.3.2形狀記憶性能測試的溫度標定

要激活所制備復合材料的形狀記憶效應，需對其施加外加熱源。本研究采用熱風槍加熱，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。為確保材料達到所需的有效溫度，特開展溫度標定試驗，以此確定熱風槍槍口相對于形狀記憶聚合物基復合材料（SMPCS）試樣的最佳定位參數(shù)。試驗將K型熱電偶貼附于復合材料試樣的上表面，熱風槍氣流則從試樣下表面進行吹掃。溫度標定試驗的測試環(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；試驗裝置如圖2a所示。每次試驗均調(diào)整熱風槍槍口與試樣表面的間距，通過熱電偶實時記錄溫度變化數(shù)據(jù)。試驗的初始間距設定為30mm，之后每次遞增10mm，直至間距達到70mm為止。所有試樣均先加熱300S，隨后自然冷卻300S，單次試驗的總時長為600S。本次溫度標定試驗選用厚度最大的試樣（8層復合材料鋪層+200μm形狀記憶中間層）開展測試，該試樣因厚度較大，需要更長的加熱時間才能達到目標溫度。

2.3.3形狀記憶熱-力學循環(huán)

本研究通過對所制備的層合板施加熱-力學循環(huán)，完成對其形狀記憶效應的性能表征。采用與三點彎曲試驗相同的萬能材料試驗機，在跨距80mm、加載速率1mm/min的條件下，對加熱后的層合板進行三點彎曲形變，以此開展形狀記憶循環(huán)測試。由于本研究共設計了14種不同結(jié)構(gòu)的層合板，且各結(jié)構(gòu)對應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%的恒定應變進行。完整的形狀記憶循環(huán)分為三個階段：首先將試樣預熱300S，隨后對加熱狀態(tài)下的試樣施加載荷，直至達到設定的1%應變；接著關閉熱風槍，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，此時試樣將維持形變狀態(tài)。此外，本研究還對試樣的回復載荷進行了測試：先對受約束的層合板再次施加熱風槍加熱（槍口與試樣表面的間距與形狀記憶測試時保持一致），持續(xù)300S后冷卻300S；最后再次用熱風槍加熱已形變的形狀記憶聚合物基復合材料（SMPCS）試樣，使其完成自由回復過程。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合材料）。

2.4形狀記憶聚合物基復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合材料（SMPCS）制備智能驅(qū)動器件原型，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10W/平方英寸。根據(jù)微型加熱器的尺寸參數(shù)計算可得，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合結(jié)構(gòu)設計，具體制備流程如下：選用標稱尺寸50×80mm2的復合材料預浸料鋪層，中間鋪設200μm厚的形狀記憶環(huán)氧樹脂中間層；先在底層預浸料表面鋪設100μm厚的中間層，隨后將微型加熱器精準放置于中間層表面，再覆蓋100μm厚的中間層，最后鋪覆頂層預浸料完成疊層。為便于脫模，在復合材料疊層與鋁制模具之間鋪設了氟化乙烯丙烯（FEP）脫模膜。

器件的固化成型采用熱平板壓機模壓工藝，固化參數(shù)為溫度220℃、壓力5bar、保壓時間15min。待復合材料冷卻至室溫后脫模，隨后對器件進行修邊處理，最終得到尺寸為35×80mm2的智能驅(qū)動器件。圖4展示了該器件的疊層結(jié)構(gòu)設計方案及成品實物。

本研究首先對該器件原型的厚度進行了測量，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定。

為研究器件的形狀回復性能，將內(nèi)嵌微型加熱器接通24V電源進行加熱驅(qū)動，同時采用紅外熱像儀（德圖公司，型號883）監(jiān)測溫度，確保材料達到激活形狀記憶效應所需的閾值溫度。測試過程中對回復角度與角速度兩項指標進行了定量表征，單次回復測試時長為90S。

3.結(jié)論

本研究制備的形狀記憶聚合物基復合材料（SMPCS），其物理及力學性能均值如表1所示。層合板的厚度隨復合材料鋪層層數(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更低，這是因為該類層合板結(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（對應4層與5層鋪層+200μm中間層的復合材料），最大值為1.41g/cm3（對應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)實驗仍繼續(xù)采用該試樣開展測試。

對數(shù)據(jù)進行歸一化處理后，本研究進一步計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合材料（SMPCS）為基底，通過集成微型加熱器，制備出智能驅(qū)動器件原型。該多層復合結(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的1.22±0.07mm降至0.63±0.06mm。為驗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，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形態(tài)。完成形狀記憶程序化設定后，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)動下開展形狀回復測試，回復角度與角速度的變化曲線分別如圖6b、6c所示。回復角度曲線呈S型特征：前60S內(nèi)回復角度快速增長，之后增長速率放緩。基于初始90°的彎折角度計算，60S時器件的回復角度已達74.6°，至測試結(jié)束（全程90S）時，回復角度進一步提升至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時達到1.55deg/S的峰值；峰值過后角速度逐漸下降，測試結(jié)束時降至0.26deg/S。