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形状记忆聚合物4D打印技术在航空航天领域的应用

发布时间:2022-6-19 19:15 来源:任正鹤、何圳(深圳大学材料学院)、陈少军(深圳大学材料学院、深圳康勋记忆材料有限公司) 观看:

形状记忆聚合物(Shape Memory Polymer ,SMP)是一种智能材料,它在特定条件下可以变形为其它临时形状,而在环境条件下可以固定此临时形状,当再次受到外界刺激即可以主动回复到初始形状。4D打印是智能材料与3D打印技术相结合发展起来的一项重要增材制造技术,该技术在航空航天领域展现出了巨大的应用潜力。

在航空航天领域,形状记忆聚合物材料具有低密度、低成本、刺激方式可控等优点,在空间可展开结构、锁紧释放机构等结构中都展现出了巨大的应用潜力。目前研究最多的是形状记忆聚合物及其复合材料的开发,中国科学院的苗涛等人合成了一种具有醛基的新型丙烯酸酯单体和具有氨基的超支化交联剂,构建了新型的丙烯酸酯树脂体系。氨基的添加不仅提高了树脂的韧性,而且增强了体系的形状记忆性能;由交联网络中的醛和氨基之间的反应形成的亚胺键,通过动态交换可以使打印结构进行重新构建。新加坡科技与设计大学的张斌等人将PCL共混到(甲基)丙烯酸酯交联树脂体系中,合成了具有高度自愈能力的材料。这些创新都极大地促进了形状记忆聚合物的4D打印的发展。新加坡科技与设计大学的张斌等人设计了一种机械坚固且可紫外线固化的SMP系统,该SMP系统主要由tBA和脂肪族聚氨酯二丙烯酸酯组成,该系统具有高的可变形性、抗疲劳性,并且可以用基于DLP的3D打印来打印,可打印较复杂的3D结构。

在空间可展开结构的研究中,来自罗马大学的研究者通过将碳纤维增强热固性系统和热固性环氧树脂系统集成进行复合设计,实验结果表明该结构可以实现自我展开,在太阳能电池板等自展开结构上有很大的应用前景。来自南昆大的研究者通过将多壁碳纳米管加入到形状记忆材料的矩阵中增强了材料的光致刺激响应能力,并提出了一种适用于小型航天器的4D打印可展开吊杆模型,该模型形状恢复率约86%。来自哈工大的新兰等人研究了一种碳纤维织物增强的热固性苯乙烯基形状记忆聚合物复合材料的形状恢复行为,并论证了使用SMPC铰链作为可展开结构的可行性。来自美国北卡罗莱纳州立大学的研究者展示了一种新型的自折叠折纸天线,它可利用SMP和导电箔本身的功能性使其结合起来实现结构变化。当这种折叠天线暴露在光线下时,聚合物在预定的铰链位置弯曲,并在几秒钟内改变为完整的展开结构。

另外,来自哈工大的刘洋等人介绍了一种碳纤维增强形状记忆环氧树脂复合材料一体化铰链,他们发现与传统SMPC铰链相比,集成式SMPC铰链具有提高可靠性和性能、提高展开后刚度和强度的特点。这些新的创新都可以对航空航天结构有重要的意义。

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