生产具有形状记忆复合材料的“新”工艺
形状记忆聚合物(Shape Memory Polymer,简称SMP)是指具有初始形状的制品在特定条件下改变为临时形状并固定后,通过外界条件刺激(如热,电,磁,光等)可恢复为初始形状的智能高分子材料。因其具有质轻、变形大、易编程、弹性模量可调等优点,SMP在过去三十年展现出了在航空航天、生物医疗、4D打印、柔性机器人等应用领域的应用价值,在全球范围得到了快速发展。
俄罗斯Skoltech公司的研究人员对一种有前途的复合材料的形状记忆行为进行了研究,即如果暴露在适当的温度或其他条件下,它们在变形后会恢复其原始形状。研究的材料是用拉挤的工艺生产的玻璃纤维增强环氧基平面层压板。该团队首次研究了该工艺在此类材料上的应用,发现其在制造具有形状记忆的复合材料方面具有相当大的潜力,可广泛应用于电子、生物医学等领域,其研究成果已在《复合材料》杂志中刊载。
形状记忆聚合物通常用碳纤维、玄武岩或玻璃纤维进行加固,从而使复合材料部件具有优异的性能。有许多工艺技术被用于形状记忆聚合物复合材料部件的制造,其中大部分都得到了相当好的研究与发展。令人惊讶的是,到目前为止,还没有关于用拉挤工艺生产具有形状记忆效应的复合材料的研究。拉挤工艺是目前最高效的复合材料制造工艺,是一种快速、通用和低废料产生的工艺,可以生产具有独特几何形状和机械性能组合的新型形状记忆结构部件,这在其他工艺中是无法生产的。
应用拉挤工艺的复合材料固化树脂试样的形状记忆测试。(a)加热后测试夹具中固化树脂的变形试样;(b)形状固定后的固化树脂试样;(c)形状恢复后的固化树脂试样;(d)加热后测试夹具中拉挤复合材料的变形试样;(e)形状固定后的拉挤复合材料试样与测试夹具的几何形状比较;以及(f)形状恢复后的拉挤复合材料试样。
该项目的首席执行官、Skoltech设计制造和材料中心的亚历山大-萨福诺夫评论道:“在这项研究中,我们研究了用单向玻璃纤维增强的环氧基拉挤平层板的形状记忆行为和机械特性。该分析还包括树脂固化动力学以及固化树脂的热力学和热物理特性。我们的发现可用于进一步的数值模拟和拉挤工艺优化。此外,研究结果表明,拉挤工艺的形状记忆聚合物在结构应用方面显示出巨大的前景。
我国形状记忆聚合物材料全球领先,利用智能形状记忆聚合物的主动变形特性,设计研制出的空间展开铰链,具有主动变形、自锁定、成本低、可大尺寸成型等特点。基于形状记忆聚合物复合材料的柔性太阳能电池板已经在2016年发射的实践17号卫星进行了空间展开,是该材料在国内首次实现空间应用,也是国际上首次高轨应用。而且这项技术已经开始酝酿小规模产业化开发,未来在生物医学的心血管支架及外骨固定上将会有广泛的市场开发前景。
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