形狀記憶聚合物及其復(fù)合材料在航天領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展

李豐豐，劉彥菊，冷勁松

(1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天科學(xué)與力學(xué)系，哈爾濱 150001；2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)特種環(huán)境復(fù)合材料技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)試驗(yàn)室，哈爾濱 150080)

0 引 言

形狀記憶聚合物(Shape memory polymer，SMP)是通過感知外界環(huán)境變化而產(chǎn)生主動(dòng)變形的一種新型智能材料，可以在某些刺激(熱、電、磁、光、溶液等)下從臨時(shí)固定形狀回復(fù)到原始形狀[1-7]。自1941年第一篇公開文獻(xiàn)報(bào)道甲基丙烯酸酯樹脂具有形狀記憶效應(yīng)以來，不同種類的形狀記憶聚合物(環(huán)氧，苯乙烯，氰酸酯，聚酰亞胺，聚乙烯，聚苯乙烯，聚丙烯酰胺等)已被開發(fā)，以滿足各種應(yīng)用需求[8-9]。形狀記憶聚合物具有低成本、低密度、大的可回復(fù)應(yīng)變、多選擇的激勵(lì)方法、可調(diào)控的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、在材料級(jí)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)變形等優(yōu)點(diǎn)[10-13]。但形狀記憶聚合物作為一種有機(jī)高分子材料，剛度遠(yuǎn)低于形狀記憶合金及形狀記憶陶瓷材料，通過將其制備成形狀記憶聚合物復(fù)合材料(Shape memory polymer composite, SMPC)，可大大提高材料的剛度和回復(fù)力[2, 14-18]。形狀記憶聚合物復(fù)合材料根據(jù)增強(qiáng)材料類型通常可分為顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料和纖維增強(qiáng)復(fù)合材料[2, 14-18]。顆粒增強(qiáng)的形狀記憶聚合物復(fù)合材料更多地用作功能材料[3, 8, 19-20]；纖維增強(qiáng)的形狀記憶聚合物復(fù)合材料由于其良好的機(jī)械性能，通常用作結(jié)構(gòu)材料[2-3, 12-13, 21]。

考慮到火箭的承載能力及大型空間結(jié)構(gòu)(天線，太陽(yáng)能陣列，太陽(yáng)帆和太空望遠(yuǎn)鏡等)的需求，可展開結(jié)構(gòu)應(yīng)用而生。多數(shù)可展開結(jié)構(gòu)依靠機(jī)電機(jī)構(gòu)或機(jī)械臂進(jìn)行展開。形狀記憶材料可以作為新的空間可展開結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)部件，在沒有復(fù)雜機(jī)械設(shè)備的情況下實(shí)現(xiàn)在由材料形狀記憶特性驅(qū)動(dòng)的展開[2-3, 21-22]。同時(shí)，由形狀記憶材料制備的部件具有重量輕，相對(duì)高的剛度和強(qiáng)度，低成本，以及高可靠性的優(yōu)點(diǎn)[1-3, 21-22]。本文重點(diǎn)關(guān)注面向航天領(lǐng)域應(yīng)用的形狀記憶聚合物及其復(fù)合材料，介紹其形狀記憶機(jī)理，評(píng)述近幾年開發(fā)的面向航天應(yīng)用的可展開鉸鏈、可展開桁架、可展開太陽(yáng)能電池陣列、鎖緊釋放機(jī)構(gòu)，總結(jié)并展望基于該類材料的空間可展開結(jié)構(gòu)的未來的研究重點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)。

1 形狀記憶機(jī)理簡(jiǎn)介

形狀記憶聚合物及其復(fù)合材料最顯著的特性為形狀記憶效應(yīng)，它使基于該類形狀記憶材料的結(jié)構(gòu)成為取代復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)的可能。以熱致型形狀記憶聚合物為例，一個(gè)完整的形狀記憶循環(huán)從原始形狀開始，當(dāng)材料被加熱至溫度高于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Glass transition temperature)Tg時(shí)，對(duì)材料施加外力使其變形；保持外界約束，使材料降溫至玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以下，撤去外界約束，材料變形被保持；當(dāng)材料再次被加熱到溫度高于其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，材料回復(fù)到原始形狀(如圖1所示)[1-2, 23-27]。

圖1 形狀記憶循環(huán)示意圖[2]Fig.1 Schematics of the shape memory cycle[2]

通過對(duì)形狀記憶聚合物的結(jié)構(gòu)分析可知形狀記憶聚合物的形狀記憶效應(yīng)主要由于材料內(nèi)部的兩相結(jié)構(gòu)：保持宏觀原始形狀的固定相和可逆軟化硬化的可逆相[2-3,7, 21]。其中，固定相能夠保證材料的宏觀形狀及剛度，可逆相能夠保證材料在變形記憶狀態(tài)過程中的大變形及保持臨時(shí)形狀。當(dāng)材料受外部激勵(lì)和載荷作用時(shí)，其內(nèi)部分子鏈的取向和交聯(lián)點(diǎn)將發(fā)生平移；撤去外部激勵(lì)并保持載荷，可使這些重新取向的分子鏈段產(chǎn)生二次交聯(lián)，直到分子鏈段的微布朗運(yùn)動(dòng)凍結(jié)，材料硬化成型；當(dāng)材料再次受激勵(lì)時(shí)，其內(nèi)部可逆相軟化，分子鏈段的二次交聯(lián)被解除，宏觀表現(xiàn)出形狀回復(fù)。圖2為形狀記憶效應(yīng)機(jī)理圖，圖中黑色點(diǎn)為固定相，代表將分子鏈段連接在一起的交聯(lián)點(diǎn)，可由物理相互作用或化學(xué)共價(jià)鍵構(gòu)成；長(zhǎng)線條為可逆相，代表分子鏈段，其中藍(lán)色線條代表凍結(jié)鏈段，紅色線條代表激活鏈段[7]

迄今為止，公開文獻(xiàn)中應(yīng)用于航天領(lǐng)域的形狀記憶聚合物復(fù)合材料通常以碳纖維或其織物為增強(qiáng)相[1-3, 21-24]。由于碳纖維的最大伸長(zhǎng)率小于2%，限制了形狀記憶聚合物復(fù)合材料的拉伸變形，但該材料仍可在大的宏觀彎曲變形下保持良好的性能，故在實(shí)際應(yīng)用中多利用彎曲變形模式[22]。研究人員認(rèn)為微屈曲是形狀記憶聚合物復(fù)合材料可以承受較大的彎曲變形的原因。當(dāng)溫度高于轉(zhuǎn)變溫度，基體形狀記憶聚合物由于剪切模量低(數(shù)量級(jí)為10 MPa)，沒有足夠的剛度來支撐被壓縮的纖維，致使纖維發(fā)生微屈曲(如圖3所示)。可通過理論計(jì)算和顯微觀察來確定單向碳纖維增強(qiáng)形狀記憶聚合物復(fù)合材料的中性面，臨界屈曲位置，纖維屈曲半波長(zhǎng)和振幅等[23-24]。需注意的是，由于形狀記憶聚合物復(fù)合材料結(jié)構(gòu)要求變形較大，所以不允許有較高的纖維含量；形狀記憶聚合物復(fù)合材料的厚度通常小于2 mm，因?yàn)檩^厚或具有大模量的層合板會(huì)在彎曲變形中產(chǎn)生較大的剪切力以抵抗纖維彎曲，造成基體損壞。

圖3 纖維增強(qiáng)形狀記憶復(fù)合材料的微屈曲行為[23]Fig.3 The micro-buckling of the fiber reinforced shape memory polymer composite[23]

2 可展開鉸鏈

美國(guó)的復(fù)合技術(shù)開發(fā)公司(Composite Technolo-gy Development Inc.，CTD)自20世紀(jì)90年代開發(fā)了TEMBO?彈性記憶復(fù)合材料(Elastic memory composite，EMC)[21-22, 28-31]。EMC是碳纖維增強(qiáng)的形狀記憶聚合物復(fù)合材料。CTD公司開發(fā)的多種基于EMC的可展開結(jié)構(gòu)中最具代表的是EMC可展開鉸鏈(如圖4所示)。EMC可展開鉸鏈主要部件為兩個(gè)粘貼有電阻絲的圓弧形EMC材料層合板，兩片層合板相背放置，通過端部接頭連接[28]。2006年，EMC可展開鉸鏈?zhǔn)状卧赥acSat-2衛(wèi)星上展開了試驗(yàn)型太陽(yáng)能電池陣列(Experimental solar array，ESA)[32]。2007年，EMC可展開鉸鏈在國(guó)際空間站進(jìn)行了零重力展開試驗(yàn)。試驗(yàn)共有6組鉸鏈，每個(gè)鉸鏈配備端部夾具，遠(yuǎn)程驅(qū)動(dòng)和計(jì)量裝置，以評(píng)估展開準(zhǔn)確性，輸出力和扭矩[33]。EMC可展開鉸鏈成功的空間飛行試驗(yàn)證明了其作為航天應(yīng)用部件的可行性和可靠性，從原理上證實(shí)了基于TEMBO?材料的其他可展開結(jié)構(gòu)在空間應(yīng)用上的可行性。

圖4 EMC可展開鉸鏈鉸鏈[28]Fig.4 EMC deployable hinge[28]

Lan等[34]通過對(duì)碳纖維布增強(qiáng)的形狀記憶聚合物復(fù)合材料層合板的厚度、橫截面圓弧半徑及弧度角、加熱方式和金屬配件等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，制備了可展開鉸鏈，并用其驅(qū)動(dòng)單個(gè)太陽(yáng)能電池板展開。該可展開鉸鏈采用橫截面圓弧角120°、圓弧半徑12.5 mm、厚3 mm、長(zhǎng)100 mm的形狀記憶聚合物復(fù)合材料層合板作為主要部件；兩片圓弧形狀記憶聚合物復(fù)合材料層合板背部相對(duì)，并有端部固定件連接。固定件采用舌狀?yuàn)A持端設(shè)計(jì)，可有效降低應(yīng)力集中。圖5為該鉸鏈從彎曲變形140°展至0°的過程示意圖，展開過程先快后慢，約100 s展開完全[2, 34]。該層合板相較EMC可展開鉸鏈所用的層合板厚，故可提供的較大回復(fù)力。該類型鉸鏈重量輕、不涉及復(fù)雜的機(jī)械部件，可從材料層面實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)展開、展開過程無沖擊，有望替代傳統(tǒng)的金屬鉸鏈。但相較金屬鉸鏈，該類鉸鏈具有驅(qū)動(dòng)力小、剛度低等缺點(diǎn)。

圖5 形狀記憶聚合物復(fù)合材料鉸鏈驅(qū)動(dòng)展開太陽(yáng)能電池板[2]Fig.5 Deployment process of the solar array by SMPC hinge[2]

Chen等[35]開發(fā)了一種新的空間可展開機(jī)構(gòu)(Space deployable mechanism，SDM)，它實(shí)質(zhì)為一種較大型的鉸鏈，包含四個(gè)內(nèi)置的形狀記憶聚合物復(fù)合材料層合板，四個(gè)外置的用于改善整體剛度和展開力的復(fù)合彈簧帶，以及兩個(gè)用于將形狀記憶聚合物復(fù)合材料和CST固定在一起的鋁合金接頭(如圖6所示)。圓弧半徑0.19 m，長(zhǎng)0.50 m，重量2.142 kg的SDM試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵阎苽洳⑦M(jìn)行了結(jié)構(gòu)剛度和形狀回復(fù)率試驗(yàn)。結(jié)果表明，SDM在繞X軸的抗彎剛度達(dá)到5000 N·m2以上，可至少實(shí)現(xiàn)10次形狀恢復(fù)率超過99.994%的形狀回復(fù)試驗(yàn)[35]。SDM是目前開發(fā)的基于形狀記憶聚合物復(fù)合材料鉸鏈中輸出力矩最大的結(jié)構(gòu)，起結(jié)構(gòu)承載和展開驅(qū)動(dòng)的雙重作用，顯示出在空間可展開結(jié)構(gòu)的巨大應(yīng)用潛力。

圖6 SDM機(jī)構(gòu)展開試驗(yàn)[35]Fig.6 The deployment process of the SDM structure[35]

3 可展開桁架

繼EMC可展開鉸鏈后，CTD公司為FalconSat-3微型衛(wèi)星設(shè)計(jì)了基于形狀記憶聚合物復(fù)合材料的可展開重力梯度桿，進(jìn)行了地面基本性能測(cè)試與低軌飛行試驗(yàn)(如圖7所示)[36]。該重力梯度桿采用中央套管和三個(gè)環(huán)繞中央套管呈120°分布的形狀記憶聚合物復(fù)合材料層合板構(gòu)成。在折疊狀態(tài)，三個(gè)縱向的形狀記憶聚合物復(fù)合材料層合板以S型折疊收縮；當(dāng)加熱膜通電，形狀記憶聚合物復(fù)合材料層合板回復(fù)到平直狀態(tài)，從而帶動(dòng)重力梯度桿展開。該重力梯度桿頂端負(fù)重8 kg，展開后長(zhǎng)度為3.3 m，總質(zhì)量為10.6 kg[37]。該結(jié)構(gòu)不需電機(jī)等機(jī)械設(shè)備，展開/收攏比高，但橫向剛度低，僅調(diào)節(jié)了星體Z方向的穩(wěn)定性。

圖7 可展開重力梯度桿[36]Fig.7 The deployable gravity gradient boom[36]

Leng等[38-39]基于碳纖維布增強(qiáng)的形狀記憶聚合物復(fù)合材料層合板開發(fā)了兩種桁架結(jié)構(gòu)：?jiǎn)屋S可展開梁和三軸可展開桁架(如圖8所示)。單軸可展開梁類似于上文中提到的可展開的重力梯度桿，由可伸展的中心套筒桿與周向呈120°分布的形狀記憶聚合物復(fù)合材料層合板構(gòu)成，但該桁架中同級(jí)套筒桿的橫截面直徑相同以減小摩擦，不同級(jí)片層采用套環(huán)連接。三軸可展開桁架由三組套筒桿及外覆于套筒上的形狀記憶聚合物復(fù)合材料層合板組成，套筒桿之間由壓條連接以構(gòu)成穩(wěn)固的三角形橫截面。兩種桁架結(jié)構(gòu)中處于同一高度的片層為一級(jí)，每級(jí)均由三個(gè)形狀記憶聚合物復(fù)合材料層合板組成，層合板在桁架收攏時(shí)呈“V”字形，通電加熱后逐步展開為“-”字形，以驅(qū)動(dòng)桁架展開[38-39]。圖8(c)為單軸可展開梁的展開過程圖，桁架在展開初期運(yùn)動(dòng)緩慢，當(dāng)溫度達(dá)到層合板玻璃化轉(zhuǎn)變溫度后展開速度加快，最后趨于平緩，該模型歷時(shí)約100 s實(shí)現(xiàn)完全展開[38]。單軸可展開梁的剛度低于三軸可展開桁架，但三軸可展開桁架在展開過程中需要克服的阻力大，需采用回復(fù)力矩更大的形狀記憶聚合物復(fù)合材料層合板。

圖8 兩種可展開桁架結(jié)構(gòu)[38-39]Fig.8 Two kinds of deployable trusses[38-39]

Liu等[40]開發(fā)了一種采用一體化形狀記憶聚合物復(fù)合材料鉸鏈的可展開桿(如圖9所示)。可展開桿以形狀記憶聚合物復(fù)合材料圓柱管為基礎(chǔ)，將形狀記憶聚合物復(fù)合材料管沿側(cè)面部分掏空，形成兩個(gè)圓弧角為120°的對(duì)稱的弧形層合板，該部分易于折疊、展開，可作為鉸鏈?zhǔn)褂肹40]。可展開桿Z形折疊收攏，通過加熱不同部位的鉸鏈可形成不同的展開路徑，可展開桿各段的長(zhǎng)度、段數(shù)、彎曲角度等可進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以滿足不同的要求，該結(jié)構(gòu)可應(yīng)用于自驅(qū)動(dòng)夾持裝置和多角度成像系統(tǒng)等。模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果表明，采用一體化形狀記憶聚合物復(fù)合材料鉸鏈的可展開桿具有較高的固有頻率，其第一階固有頻率為101.3 Hz，遠(yuǎn)高于采用組合式鉸鏈的46.3 Hz[40]。這種可展開桿不需復(fù)雜機(jī)械裝置，在材料水平上實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)展開，重量輕、剛度和強(qiáng)度相對(duì)較高。可拆卸的關(guān)鍵越少，展開結(jié)構(gòu)的剛度越高。一體化設(shè)計(jì)理念是提高新結(jié)構(gòu)剛度的好方法。

扦插處理后第30天，對(duì)不同景天品種的扦插苗生長(zhǎng)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。由表2可以看到：不同濃度IBA處理的生根率差異不大，但平均植株高度、平均生根數(shù)、平均根長(zhǎng)差異較大，其中濃度為100mg/L的處理，品種植株高，根長(zhǎng)也最大、生根數(shù)量表現(xiàn)最多；在清水對(duì)照處理中的品種植株表現(xiàn)最低，根生長(zhǎng)最短、平均根數(shù)最少；另兩種IBA濃度的處理表現(xiàn)相差不大，品種根系生長(zhǎng)狀況介于兩者之間。

圖9 可展開桿展開試驗(yàn)[40]Fig.9 Deployment process of the self-deployable bar[40]

Li等[41]介紹了一種可尖端負(fù)載的可展開桁架(如圖10所示)。該桁架繼承了之前的可展開重力梯度桿[36]和單軸可展開梁[39]的展開機(jī)制，使用三級(jí)套管作為中央可展開桿，外覆兩級(jí)呈120°分布的SMPC平直層合板作為驅(qū)動(dòng)源。由于到SMPC層合板的固定能力不足以將桁架鎖定在收攏狀態(tài)，故該桁架在套筒內(nèi)設(shè)置了桿式鎖緊釋放裝置；同時(shí)該桁架采用帶有角撐板基座和輔助支撐框架，以提高結(jié)構(gòu)剛度和避免根部疲勞。尖端載荷為1.3 kg的主體金屬框架在收攏狀態(tài)下的第一階固有頻率為127 Hz，展開狀態(tài)下的第一階固有頻率為5 Hz[41]。桁架整體在經(jīng)歷條件為8g(g為重力加速度)正弦掃頻試驗(yàn)，10g的加速度試驗(yàn)及1600g的沖擊試驗(yàn)

圖10 尖端負(fù)載的可展開桁架[41]Fig.10 The tip-loaded deployable truss[41]

后未變形和損壞[41]。相較于本節(jié)中其他的桁架。該桁架剛度高，能承受苛刻的力學(xué)環(huán)境，可以用作各種組件(例如天線，空間探測(cè)器等)的擴(kuò)展架。

4 可展開太陽(yáng)能電池陣列

傳統(tǒng)航天用太陽(yáng)能電池陣列多采用剛性蜂窩板和板間金屬鉸鏈相互連接。CTD和Lan等采用上文第3節(jié)提到的基于形狀記憶聚合物復(fù)合材料的可展開鉸鏈代替金屬鉸鏈作為驅(qū)動(dòng)和連接關(guān)節(jié)，研制了基于該鉸鏈的太陽(yáng)能電池陣列，如圖4(a)和圖5所示。

不同于鉸鏈?zhǔn)竭B接的太陽(yáng)能電池陣列，CTD為小型航天器推出了一種采用形狀記憶聚合物復(fù)合材料線型鉸鏈的新型復(fù)合輕量陣列(Composite lightweight array using shape-memory polymer，CLASP)[42]。線型鉸鏈連接相鄰的基板，完整覆蓋連接部位，CLASP一旦展開就具有連續(xù)的表面。其原理樣機(jī)已在6U CubeSat模型上進(jìn)行了多次折疊、展開試驗(yàn)。試驗(yàn)所用的線型鉸鏈的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為120 ℃，從距衛(wèi)星主體最遠(yuǎn)端向根部依次激勵(lì)并成功展開(如圖11所示)。CLASP展開后長(zhǎng)1.0 m，寬0.36 m[42]。相關(guān)部門已計(jì)劃進(jìn)行工程樣機(jī)的制備與地面鑒定試驗(yàn)，但截止目前為止，沒有任何材料更新[42]。相較于分散式的鉸鏈連接，這種設(shè)計(jì)不僅可以提高太陽(yáng)能電池陣列的剛度和強(qiáng)度，還可以提高收納的容積效率，用于制備展開面積更大的太陽(yáng)能電池陣列。但由于線型鉸鏈尺寸較大，故所需能量增多。

圖11 新型復(fù)合輕量陣列CLASP展開試驗(yàn)[42]Fig.11 The deployment process of CLASP[42]

2016年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)冷勁松教授課題組自主研制的“太陽(yáng)光激勵(lì)展開的柔性基板”(代號(hào)Mission SMS-I)進(jìn)行了地面及地球靜止軌道試驗(yàn)驗(yàn)證(如圖12所示)[43]。該柔性基板采用碳纖維增強(qiáng)的形狀記憶聚合物復(fù)合材料制成；一旦基板的溫度達(dá)到或超過玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，基板便可以從“Ω”型收攏狀態(tài)回復(fù)到“-”型展開狀態(tài)。該結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了系列地面試驗(yàn)(包括振動(dòng)、沖擊、真空熱循環(huán)及地面展開試驗(yàn))和在軌驗(yàn)證試驗(yàn)(在軌展開及長(zhǎng)期抗輻照觀察)。試驗(yàn)結(jié)果表明Mission SMS-I可承受所處的力及熱環(huán)境，在軌道上成功展開部署，并具有良好的長(zhǎng)期抗輻射能力[43]。這是我國(guó)首次實(shí)現(xiàn)形狀記憶聚合物智能復(fù)合材料展開結(jié)構(gòu)的空間應(yīng)用，也是國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)該類型智能結(jié)構(gòu)的高軌道空間應(yīng)用。相較于現(xiàn)有的柔性太陽(yáng)能電池陣列，該結(jié)構(gòu)集常規(guī)基板、支撐和部署功能為一體，構(gòu)造簡(jiǎn)單，無復(fù)雜的機(jī)械部件，展開過程中不存在“卡死”等機(jī)械故障。雖然該結(jié)構(gòu)展開不需要航天器提供能源，但在受光照與非受光照情況下剛度有差異，未來應(yīng)用中需權(quán)衡節(jié)省能源與變剛度的影響。

圖12 太陽(yáng)光激勵(lì)展開的柔性基板[43]Fig.12 The sunlight-stimulated flexible substrate[43]

Liu等[44]開發(fā)了一種基于形狀記憶聚合物復(fù)合材料的豆莢桿，并提出了一種結(jié)合該豆莢桿與薄膜式太陽(yáng)能電池的柔性太陽(yáng)能列陣。豆莢桿分布在薄膜式太陽(yáng)能電池的兩側(cè)，在熱激勵(lì)情況下可蜷曲、展開。圖13顯示了基于形狀記憶聚合物復(fù)合材料豆莢桿的柔性太陽(yáng)能列陣的地面展開過程，其在經(jīng)過30次變形循環(huán)后仍能良好展開，平均回復(fù)率96.2%左右[44]。該柔性太陽(yáng)能列陣的于2019年12月搭載實(shí)踐二十號(hào)衛(wèi)星進(jìn)行在軌飛行，并于2020年1月成功在軌展開，驗(yàn)證了多項(xiàng)基于形狀記憶材料的主動(dòng)展開技術(shù)。該結(jié)構(gòu)與NASA在2017年進(jìn)行空間飛行實(shí)驗(yàn)的Roll-Out Solar Array (ROSA)柔性太陽(yáng)能電池陣列均在兩側(cè)設(shè)置有可展開梁。與ROSA采用應(yīng)變能儲(chǔ)存原理不同，該結(jié)構(gòu)采用基于形狀記憶聚合物復(fù)合材料豆莢桿，其明顯優(yōu)勢(shì)是借助形狀記憶材料在不同溫度下變剛度的特點(diǎn)，將結(jié)構(gòu)收攏儲(chǔ)存在小體積狀態(tài)，結(jié)構(gòu)展開過程穩(wěn)定、無沖擊，但需通電加熱，耗費(fèi)一定的星上資源。

圖13 基于形狀記憶聚合物復(fù)合材料豆莢桿的柔性太陽(yáng)能列陣展開過程[44]Fig.13 The deployment process of the flexible solar array based on SMPC lenticular tube[44]

5 鎖緊釋放機(jī)構(gòu)

在眾多的形狀記憶聚合物/形狀記憶聚合物復(fù)合材料應(yīng)用實(shí)例中，材料的形狀記憶性能是關(guān)注重點(diǎn)。基于形狀記憶聚合物復(fù)合材料的智能鎖緊釋放機(jī)構(gòu)除形狀記憶性能外，還需要考慮材料的形狀固定性能，該性能影響鎖緊釋放機(jī)構(gòu)的鎖緊力。以下三種鎖緊釋放機(jī)構(gòu)分別適用于不同鎖緊力需求的場(chǎng)景。

Zhao等[45]研制了一種基于碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧基形狀記憶聚合物復(fù)合材料的高負(fù)載能力的鎖緊釋放機(jī)構(gòu)(如圖14所示)。該結(jié)構(gòu)內(nèi)部為沙漏狀金屬芯，外部為碳纖維的體積分?jǐn)?shù)為60%，纏繞角度為45°的形狀記憶聚合物復(fù)合材料套筒。鎖緊狀態(tài)下，外部套筒被壓緊至金屬芯，可承受軸向拉力；當(dāng)再次加熱外部套筒時(shí)，套筒回復(fù)其初始圓柱形狀，可輕松與金屬芯分離。該機(jī)構(gòu)的鎖緊力可隨著形狀記憶聚合物復(fù)合材料套筒的壓痕數(shù)量、壓痕深度的增加而增加，但壓痕深度越大，套筒表面損傷增大。圖14顯示了鎖緊釋放機(jī)構(gòu)的釋放過程，時(shí)間為28 s[45]。該鎖緊釋放機(jī)構(gòu)的鎖緊力可達(dá)4000 N，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無瞬時(shí)沖擊、清潔、靜音、成本低等優(yōu)點(diǎn)。不同于傳統(tǒng)火工品鎖緊釋放機(jī)構(gòu)在航天器上最終使用的產(chǎn)品不是在地面進(jìn)行過實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)品，該機(jī)構(gòu)可在地面進(jìn)行多次檢驗(yàn)后投入使用，但其相較于傳統(tǒng)火工品鎖緊釋放機(jī)構(gòu)質(zhì)量和體積較大。

圖14 鎖緊釋放機(jī)構(gòu)釋放過程[45]Fig.14 The release process of the release device[45]

Wei等[46]開發(fā)了三種基于碳纖維增強(qiáng)苯乙烯基形狀記憶聚合物復(fù)合材料的智能鎖緊釋放機(jī)構(gòu)(如圖15所示)：“蓮花”型，“八爪”型和“竹子”型，其配合段部件的變形模式分別為：彎曲，扭曲和收縮。通過進(jìn)行拉伸試驗(yàn)獲得了“蓮花”型和“竹子”型裝置的鎖定載荷，其中“竹子”型裝置的最大載荷為430 N，高于“蓮花”型裝置的284 N[46]。“八爪”型裝置由于試驗(yàn)過程中爪子和形狀記憶聚合物復(fù)合材料圓筒脫粘，未能完成鎖緊力測(cè)試[46]。三種智能鎖緊釋放機(jī)構(gòu)都可以在不到30 s內(nèi)完全釋放。與傳統(tǒng)的爆炸螺栓釋放裝置不同，新裝置中沒有火藥，降低了成本，減少了分離過程中的沖擊和污染。但智能鎖緊釋放裝置的鎖緊力低，致使應(yīng)用受限，僅適用于鎖緊力需求102N量級(jí)的應(yīng)用場(chǎng)景。

圖15 智能鎖緊釋放裝置[46]Fig.15 Smart release devices[46]

Zhang等[47]提出了一種適用于小型機(jī)構(gòu)的基于形狀記憶聚合物復(fù)合材料的超輕釋放裝置。該裝置所用的形狀記憶聚合物復(fù)合材料板初始狀態(tài)為平直板，可變形為U型鉤實(shí)現(xiàn)鎖定；其上通過絲網(wǎng)印刷技術(shù)印有加熱電路；通電可使形狀記憶聚合物復(fù)合材料板回復(fù)平直狀態(tài)。圖16為該裝置在3U立方體衛(wèi)星上進(jìn)行的展開試驗(yàn)，3 V電壓驅(qū)動(dòng)條件下，太陽(yáng)能帆板在24 s完成展開[47]。該裝置進(jìn)行了形狀記憶循環(huán)試驗(yàn)和高低溫試驗(yàn)，證實(shí)了其具有良好的可重復(fù)使用性和可靠的鎖定性能。該裝置具有重量輕、結(jié)構(gòu)小巧簡(jiǎn)單、集成度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，然而鎖緊力較低，故應(yīng)用僅限制于小型可展開結(jié)構(gòu)。

圖16 3U立方星太陽(yáng)能帆板展開過程[47]Fig.16 The release process of the solar array on a 3U CubeSat[47]

6 結(jié) 論

針對(duì)基于形狀記憶聚合物及其復(fù)合材料的空間結(jié)構(gòu)的研究已開展多年，在結(jié)構(gòu)研制及性能測(cè)試方面積累了堅(jiān)定的基礎(chǔ)。鑒于形狀記憶聚合物及其復(fù)合材料具有良好的抗空間輻射性、穩(wěn)定的形狀記憶性能、合適的機(jī)械性能、簡(jiǎn)單有效的激勵(lì)方法和易于加工等性能，多種基于形狀記憶聚合物復(fù)合材料的可展開鉸鏈、可展開桁架、可展開太陽(yáng)能電池陣列、鎖緊釋放機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)被開發(fā)；部分結(jié)構(gòu)(EMC鉸鏈、重力梯度桿、太陽(yáng)光激勵(lì)的柔性基板，基于形狀記憶聚合物復(fù)合材料豆莢桿的柔性太陽(yáng)能列陣)已完成了在軌飛行試驗(yàn)，證實(shí)了該材料或結(jié)構(gòu)在航天領(lǐng)域應(yīng)用的可行性；但是大多數(shù)基于該類材料的結(jié)構(gòu)僅完成地面檢驗(yàn)試驗(yàn)。在后續(xù)研究工作中，針對(duì)以上不同結(jié)構(gòu)有以下問題值得探索：

1) 可展開鉸鏈

具有不同結(jié)構(gòu)形式和力學(xué)性能的基于形狀記憶聚合物復(fù)合材料的可展開鉸鏈已被開發(fā)，可適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景。但研究人員未對(duì)鉸鏈展開精度和速率進(jìn)行主動(dòng)控制，該方面是之后研究工作的重點(diǎn)。同時(shí)，我們需要設(shè)計(jì)鉸鏈接口，使其靈活匹配各種任務(wù)需求。

2) 可展開桁架

基于形狀記憶聚合物復(fù)合材料的可展開桁架展開可靠，具有較大的展開/收攏比。但為實(shí)現(xiàn)可展開桁架的逐級(jí)可控展開，需在各級(jí)形狀記憶聚合物復(fù)合材料層合板變形處貼覆電加熱膜和熱敏電阻等元器件，由此引入的線路會(huì)增加載荷重量，優(yōu)化線路設(shè)計(jì)將是之后工作的重點(diǎn)之一。

3) 可展開太陽(yáng)能電池陣列

Y=-900.6228+0.032337X 1+0.043653X 2-51.58683X 3-25.54347X 4-10.13060X 5+4.818238X 6

目前為止，多數(shù)基于形狀記憶聚合物復(fù)合材料的太陽(yáng)能電池陣列處于原理樣機(jī)階段。太陽(yáng)能電池陣列的開發(fā)，除在結(jié)構(gòu)形式創(chuàng)新外，需根據(jù)整體結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能進(jìn)行形狀記憶材料的選擇，以保證太陽(yáng)能電池陣列在收攏狀態(tài)下的基頻不與安裝本體的頻率相耦合，在展開狀態(tài)下其基頻不與安裝本體的姿態(tài)控制系統(tǒng)相互干擾。

4) 鎖緊釋放機(jī)構(gòu)

相較于以金屬作為主要材料的傳統(tǒng)鎖緊釋放機(jī)構(gòu)，以高分子聚合物作為主要材料的智能鎖緊釋放機(jī)構(gòu)存在明顯的松弛和蠕變，開發(fā)形狀固定率高、承載能力大的形狀記憶材料和智能結(jié)構(gòu)形式是之后工作的重點(diǎn)。同時(shí)，我們可改善結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)存環(huán)境以延長(zhǎng)儲(chǔ)存壽命。但開發(fā)、探索更多的應(yīng)用場(chǎng)景將是推廣該類結(jié)構(gòu)應(yīng)用的更為行之有效的方法。