劉立武， 趙　偉， 蘭　鑫， 劉彥菊， 冷勁松

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院 航天科學(xué)與力學(xué)系， 150001 哈爾濱; 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院 復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)研究所， 150080 哈爾濱)

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智能軟聚合物及其航空航天領(lǐng)域應(yīng)用

劉立武1， 趙偉1， 蘭鑫2， 劉彥菊1， 冷勁松2

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院 航天科學(xué)與力學(xué)系， 150001 哈爾濱; 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院 復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)研究所， 150080 哈爾濱)

摘要:智能軟材料針對外界的刺激(如溫度、電場、光、磁場等等)能夠產(chǎn)生不同程度的形變而體現(xiàn)出活性. 作為新型智能軟活性聚合物材料的代表，形狀記憶聚合物和電致活性聚合物主動軟材料日益顯示出巨大的應(yīng)用前景. 本文綜述了形狀記憶聚合物及其復(fù)合材料以及驅(qū)動方法，形狀記憶聚合物智能材料在航天領(lǐng)域的應(yīng)用，介電彈性體材料及其復(fù)合材料，介電彈性體材料的理論研究進(jìn)展，介電彈性體材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用.

關(guān)鍵詞:智能軟聚合物; 復(fù)合材料; 航空航天; 主動變形; 驅(qū)動方法

智能軟材料是一種能感知外部刺激的新型功能材料，具有可承受大變形、具備良好生物親和性、相容性、輕質(zhì)廉價等特點. 軟智能材料及其智能器件有巨大的潛在應(yīng)用前景，大到石油開采密封，小到藥物輸送，在航空航天、智能仿生、機(jī)械、醫(yī)療、軍工等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，由于其變形能力和驅(qū)動力接近于生物肌肉，在機(jī)器人領(lǐng)域也有非常好的發(fā)展前景. 在很長的一段時間，研究人員致力于硬質(zhì)材料研究，它們在機(jī)械工程等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用. 而自然界中動、植物生物體的結(jié)構(gòu)通常是智能軟質(zhì)材料. 作為新型智能軟活性聚合物材料的代表，形狀記憶聚合物和電致活性聚合物主動軟材料日益顯示出巨大的優(yōu)越性.

1形狀記憶聚合物及其復(fù)合材料

1.1形狀記憶聚合物

形狀記憶聚合物是一種具有形狀記憶效應(yīng)的聚合物材料，該聚合物材料具有獨特的分子機(jī)制，當(dāng)外部條件發(fā)生變化時，它可相應(yīng)地改變形狀并將其固定[1-5]. 如果外部環(huán)境的變化再次觸動了聚合物分子的機(jī)制，它能可逆地恢復(fù)至起始態(tài)；至此完成“形狀記憶”的循環(huán)，聚合物的這種特性稱為材料的記憶效應(yīng). (形狀記憶聚合物及的變形回復(fù)過程見圖1. 與常規(guī)高分子材料類似，形狀記憶聚合物也具有三維分子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(見圖2). 這些網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是聚合物鏈段結(jié)構(gòu)通過交聯(lián)點相互連接，這一相對穩(wěn)固的交聯(lián)結(jié)構(gòu)保證了形狀記憶聚合物在原始態(tài)和回復(fù)態(tài)的宏觀形態(tài)[1-5]. 形狀記憶聚合物通常是由保持聚合物原始形狀的固定相以及隨溫度變化能發(fā)生可逆軟化與硬化變化的可逆相組成[1-5].

圖1　形狀記憶聚合物及其復(fù)合材料的變形回復(fù)過程[6]

圖2　形狀記憶聚合物的多種分子結(jié)構(gòu)示意[7]

以熱致型形狀記憶聚合物為例，其固定相的結(jié)晶熔融溫度Tm或玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg較高，在材料的使用溫度范圍內(nèi)不會發(fā)生軟化和松弛，可保證材料原始形狀的記憶與回復(fù)；可逆相的Tm或Tg較低，能隨溫度變化相應(yīng)發(fā)生軟化、硬化，保證材料具有較高的變形能力.

圖3為形狀記憶聚合物在變形和回復(fù)階段的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變化示意圖. 其中，可逆相為長的線條，代表聚合物中的分子鏈段；固定相為黑色點，代表將分子鏈段連接在一起的網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)點. 當(dāng)材料溫度低于形狀記憶聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg時，材料可逆相和固定相均處于凍結(jié)狀態(tài)；當(dāng)溫度高于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg以上時，可逆相的微觀布朗運(yùn)動加劇，材料發(fā)生軟化，在外載作用下可逆相由卷曲纏繞狀態(tài)變?yōu)檩^為伸展的有序狀態(tài)，保持外載作用將材料冷卻至玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg下，此時可逆相處于玻璃狀態(tài)，材料保持變形形狀. 當(dāng)溫度再次升高至玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg以上時，可逆相再次由玻璃狀態(tài)逐漸過渡為活動狀態(tài)，并在固定相的作用下重新回復(fù)到初始的卷曲纏繞狀態(tài). 材料在宏觀上表現(xiàn)為軟化并發(fā)生形狀回復(fù)[7-9].

1.2形狀記憶聚合物復(fù)合材料

形狀記憶聚合物具有可回復(fù)應(yīng)變較大的特點，一般能達(dá)到10%～100%[10]，但材料的模量、強(qiáng)度等力學(xué)和熱-力學(xué)性能較差，導(dǎo)致材料變形回復(fù)輸出力較小，運(yùn)動穩(wěn)定性和可靠性較差，蠕變和松弛現(xiàn)象較嚴(yán)重等缺點，影響了其應(yīng)用，特別是在航天器上的應(yīng)用[11]. 通過形狀記憶聚合物與其它增強(qiáng)材料(如顆粒、纖維)摻雜，經(jīng)過復(fù)合工藝制備形成的形狀記憶聚合物復(fù)合材料，使材料具備了可回復(fù)應(yīng)變大、變形回復(fù)輸出力較大、比強(qiáng)度、比剛度高和低成本等優(yōu)點[11-18].

圖3　形狀回復(fù)過程中形狀記憶聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化示意[7]

顆粒填充形狀記憶復(fù)合材料通過向聚合物中添加特定顆粒改善材料力學(xué)和熱-力學(xué)特性，可作為功能材料. 但顆粒填充相在形狀記憶聚合物中多為隨機(jī)均勻分布，可主動控制性較弱[19-20]. Gall等通過對環(huán)氧型形狀記憶聚合物添加SiC顆粒， 研究發(fā)現(xiàn)SiC納米顆粒增強(qiáng)的形狀記憶聚合物復(fù)合材料其彈性模量及回復(fù)力有所增強(qiáng)，對其形狀恢復(fù)性能也有一定影響[20-21]. Huang等研究了碳黑增強(qiáng)的的形狀記憶聚氨酯，研究發(fā)現(xiàn)該形狀記憶復(fù)合材料具有良好的導(dǎo)電性和形狀記憶性能[22-23]. Leng等將極少量的鎳粉添加于碳黑填充的形狀記憶復(fù)合材料中，研究了Ni粉對該復(fù)合材料的熱力學(xué)性質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)Ni粉分布成鏈結(jié)構(gòu)對SMP的力學(xué)性能具有更強(qiáng)的增強(qiáng)作用[24-25].

纖維增強(qiáng)的形狀記憶復(fù)合材料的相比于形狀記憶聚合物，回復(fù)力較大，強(qiáng)度高，剛度高，綜合力學(xué)性能好，因此可作為結(jié)構(gòu)材料. 纖維增強(qiáng)相的有效應(yīng)變一般<2%，故材料變形的主方向通常不選為纖維增強(qiáng)方向[26-27]. 與常規(guī)樹脂基復(fù)合材料相比，纖維增強(qiáng)的形狀記憶復(fù)合材料具有功能性[10]. Wei等分別用碳纖維、玻璃纖維和Kevlar纖維制備環(huán)氧形狀記憶聚合物復(fù)合材料. 力學(xué)性能測試結(jié)果表明，各纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料的剛度、強(qiáng)度都較原基體顯著提高[17]. Ohki等以聚氨酯形狀記憶聚合物為基體，制備了不同玻璃纖維質(zhì)量含量的形狀記憶聚合物復(fù)合材料，測試的這些樣品的力學(xué)性能和形狀記憶效果表明：玻璃纖維明顯的提高了聚氨酯形狀記憶聚合物復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度，加入玻璃纖維后的聚氨酯形狀記憶聚合物復(fù)合材料仍保持形狀記憶特性[18]. 美國的Colorado大學(xué)以及CTD(composites technology development)、CRG(cornerstone research group)兩個公司大量研究了大量長纖維和纖維布增強(qiáng)形狀記憶聚合物復(fù)合材料. 其制備工藝與普通復(fù)合材料制備工藝相同，纖維質(zhì)量百分比含量一般在10%～40%，但其強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)性能比純形狀記憶聚合物提高20%以上[27]. 目前，作為結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用的形狀記憶聚合物復(fù)合材料多為碳纖維增強(qiáng)型.

1.3形狀記憶聚合物復(fù)合材料驅(qū)動方法

外部能量可以驅(qū)動形狀記憶聚合物復(fù)合材料回復(fù)或近似回復(fù)到初始形狀. 有代表性的形狀記憶聚合物材料的驅(qū)動方式包括：熱驅(qū)動、電驅(qū)動、磁場驅(qū)動、和溶液驅(qū)動、水驅(qū)動等[1, 3]. 施加外電場時，形狀記憶復(fù)合材料中的碳納米管、碳黑、碳纖維等導(dǎo)電增強(qiáng)相上將通過電流，由于焦耳熱效應(yīng)，一部分電能轉(zhuǎn)化為熱能[1-5]. 轉(zhuǎn)化的熱能使導(dǎo)電增強(qiáng)相的溫度升高，熱量向聚合物基體傳遞，使復(fù)合材料達(dá)到其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度之上，形狀記憶效應(yīng)被觸發(fā)，實現(xiàn)復(fù)合材料的電驅(qū)動. Leng 和Lv等將短(碳)纖維、碳納米管、碳納米(纖維)紙等作為形狀記憶聚合物材料的電驅(qū)動過程中的導(dǎo)電介質(zhì). 圖4為形狀記憶聚合物的電驅(qū)動的回復(fù)過程[15].

圖4　形狀記憶聚合物復(fù)合材料的電驅(qū)動回復(fù)過程[15]

在形狀記憶聚合物復(fù)合材料中埋入光纖，通過光纖將特定波長的光能傳遞到聚合物中，光能被吸收后，加熱復(fù)合材料到其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上，從而實現(xiàn)形狀記憶聚合物的光驅(qū)動[1-5]. Leng等實現(xiàn)通過光纖將波長為3-4 μm的紅外光傳遞到聚合物中實現(xiàn)其光驅(qū)動(見圖5)[1-5].

圖5　形狀記憶聚合物的紅外驅(qū)動回復(fù)過程[1-5]

施加外磁場時，形狀記憶聚合物復(fù)合材料內(nèi)部的磁性顆粒隨著磁場的周期變化而發(fā)生運(yùn)動，磁性顆粒與聚合物分子之間的相對運(yùn)動的摩擦和碰撞產(chǎn)生熱量；熱量加熱復(fù)合材料，達(dá)到其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度之上，形狀記憶效應(yīng)被觸發(fā)，實現(xiàn)基于形狀記憶聚合物復(fù)合材料的磁驅(qū)動[1-5,28]. Leng等提出并證實了導(dǎo)電/磁性顆粒在磁場誘導(dǎo)下所形成的鏈狀結(jié)構(gòu)能極大的提高形狀記憶復(fù)合材料的電驅(qū)動性能[1-5]. 圖6為磁場驅(qū)動的形狀記憶聚合物復(fù)合材料的形狀回復(fù)圖.

圖6　磁場驅(qū)動形狀記憶聚合物復(fù)合材料的形狀回復(fù)圖[1,28]

新加坡南洋理工大學(xué)Huang 等研究人員首先發(fā)現(xiàn)并證實了水或濕氣對聚氨酯形狀記憶聚合物的形狀記憶效應(yīng)有驅(qū)動作用. 研究發(fā)現(xiàn)濕氣對熱塑性聚氨酯形狀記憶聚合物的玻璃化溫度和彈性模量等物理性能有強(qiáng)烈的降低作用，進(jìn)而證明了水或濕氣可驅(qū)動形狀聚合物的恢復(fù)過程(見圖7). 水驅(qū)動的基本原理是，在室溫條件下，隨著水分子含量的增加，形狀記憶聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度逐漸下降，直到達(dá)到吸收飽和的狀態(tài)[65]. 進(jìn)而通過紅外光譜實驗，獲得了水及濕氣驅(qū)動聚氨酯形狀記憶聚合物的分子作用微觀機(jī)制. 實驗結(jié)果表明含有較強(qiáng)極性氫鍵的水分子與聚氨酯聚合物中的極性官能團(tuán)CO 發(fā)生強(qiáng)烈的氫鍵作用，從而降低了聚合物內(nèi)部官能團(tuán)N—H 和CO 之間的氫鍵連接作用，導(dǎo)致聚合物的轉(zhuǎn)變溫度降低[29].

圖7　形狀記憶聚合物的溶液驅(qū)動形狀回復(fù)過程[29]

Leng等采用化學(xué)交聯(lián)方法制備一種新型的納米復(fù)合材料形狀記憶聚合物，該材料具有感受多級刺激的功能，分別能夠感受磁、電、溫度的變化，通過對形狀記憶聚合物施加不同的刺激，形狀記憶聚合物不同段能夠選擇性回復(fù)其初始形狀，在可控形狀回復(fù)方面具有非常重大的意義(見圖8)[30].

圖8　形狀記憶聚合物感應(yīng)不同刺激的回復(fù)過程

2形狀記憶復(fù)合材料的航空航天領(lǐng)域應(yīng)用研究

近年來，智能結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展較快，尤其是在航天、航空等結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用受到廣泛的重視和認(rèn)可，一些元件已經(jīng)完成原理性演示驗證，并已初步獲得應(yīng)用. 由于形狀記憶聚合物智能材料有較好的形狀記憶能力與回復(fù)能力，且展開過程較為平穩(wěn)，不會對結(jié)構(gòu)本體產(chǎn)生沖擊與振動，因此它的出現(xiàn)極大地提高了航天器的運(yùn)載能力.

2.1形狀記憶聚合物智能材料在航天領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1.1空間可展開機(jī)構(gòu)簡介

隨著工程要求的不斷提高，空間可展開機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和功能越來越復(fù)雜，形狀記憶復(fù)合材料在空間可展開機(jī)構(gòu)領(lǐng)域扮演著越來越重要的角色. 空間可展開機(jī)構(gòu)有多種分類方式，按展開形式可分為如下幾種類型：折疊式空間可展開機(jī)構(gòu)、套筒式空間可伸展機(jī)構(gòu)、桁架式空間可伸展機(jī)構(gòu)和充氣式空間可展開機(jī)構(gòu).

2.1.1.1折疊式空間可展開機(jī)構(gòu)

多數(shù)折疊式空間可展開機(jī)構(gòu)的展開與鎖定都是通過鉸鏈來實現(xiàn). 隨著新材料技術(shù)的發(fā)展，用形狀記憶聚合物智能材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的動力源實現(xiàn)機(jī)構(gòu)的自我展開與鎖定已成為現(xiàn)實. 最典型的折疊式空間可展開機(jī)構(gòu)是展開式太陽能帆板機(jī)構(gòu)，除美國、日本、俄羅斯等國家已經(jīng)掌握了多次展開技術(shù)，我國也已經(jīng)實現(xiàn)機(jī)構(gòu)的二維三維展開，取得重大的技術(shù)突破. 2.1.1.2套筒式空間可伸展機(jī)構(gòu)

套筒式空間可伸展機(jī)構(gòu)一般通過螺旋傳動系統(tǒng)傳動，當(dāng)需要較高的傳動效率時，大多采用滾動螺旋傳動的工作方式，其優(yōu)點是在展開后具有較好的剛度強(qiáng)度(見圖9)[31].

2.1.1.3桁架式空間可伸展機(jī)構(gòu)

桁架式空間可伸展機(jī)構(gòu)一般可分為兩類，即構(gòu)架式空間可伸展機(jī)構(gòu)和桁架式天線可展開機(jī)構(gòu). 其中構(gòu)架式空間可展開機(jī)構(gòu)又可分為兩類：壓盤桿展開機(jī)構(gòu)和鉸鏈桿展開機(jī)構(gòu). 壓盤桿展開機(jī)構(gòu)用彈性桿件，以周向盤旋方式進(jìn)行收攏. 美國ASTRO公司提出的Astromast壓盤機(jī)構(gòu)是壓盤桿展開機(jī)構(gòu)的典型代表 . 鉸鏈桿展開機(jī)構(gòu)則采用剛性桿件以向心折轉(zhuǎn)或側(cè)向倒伏方式進(jìn)行收攏，典型代表有美國ABLE公司研制的FAST鉸鏈桿展開機(jī)構(gòu)(見圖10)[32].

(a) 收縮狀態(tài)　　　　　(b) 展開狀態(tài)

(a)壓盤桿展開機(jī)構(gòu) (b)鉸鏈展開機(jī)構(gòu)

圖10構(gòu)架式空間可展開機(jī)構(gòu)[32]

2.1.1.4充氣式空間可展開結(jié)構(gòu)

充氣式可展開結(jié)構(gòu)相較于其他空間可展開結(jié)構(gòu)具有收藏后體積小、重量輕，安裝簡易，展開后精度高等優(yōu)點. 一般都采用薄膜結(jié)構(gòu)，先折疊放置于太空艙內(nèi)，待發(fā)射到達(dá)指定位置后再充氣形成需要的反射面型. 因其特殊的結(jié)構(gòu)和材料要求，充氣式空間可展開結(jié)構(gòu)的發(fā)展還面臨著諸多挑戰(zhàn)(見圖11)[33]. 2.1.2基于形狀記憶聚合物的空間可展開結(jié)構(gòu)

如圖12(a)所示是由美國CTD公司研究開發(fā)的一種電加熱驅(qū)動型形狀記憶復(fù)合材料EMC(Elastic Memory Composite)鉸鏈[34]. 目前， EMC鉸鏈已被開始應(yīng)用于航天器上，例如美國空軍學(xué)院研制的“FalconSat-3”航天器、美國“DiNO Sat”衛(wèi)星的太陽能電池帆板. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制了SMPC鉸鏈，見圖12(b)[1-5, 35]. 該鉸鏈已經(jīng)應(yīng)用于太陽電池板的驅(qū)動展開地面模擬試驗中，見圖13[1, 35].

圖11　充氣式空間居住艙[33]

(a)美國CTD公司開發(fā)EMC鉸鏈

(b) 哈爾濱工業(yè)大學(xué)研發(fā)的SMPC鉸鏈

CTD公司設(shè)計基于形狀記憶復(fù)合材料的雙縱梁桁架結(jié)構(gòu)(見圖14(a))和三縱梁桁架結(jié)構(gòu)以滿足FalconSat-3微型衛(wèi)星對梁的集中程度高、機(jī)械性能簡單要求，見圖14(a)～(b)[1, 36]. 其中形狀記憶復(fù)合材料三縱梁桁架結(jié)構(gòu)由3個縱向間隔120°的半圓柱狀的形狀記憶復(fù)合材料梁構(gòu)成. 收縮狀態(tài)時3個縱向的形狀記憶復(fù)合材料梁以S型折疊收縮，當(dāng)在軌工作后，通電加熱形狀記憶復(fù)合材料梁，實現(xiàn)其展開過程. 與三縱梁桁架結(jié)構(gòu)展開機(jī)理類似，雙縱梁桁架結(jié)構(gòu)同樣以S型折疊收縮，當(dāng)在軌工作后，通電加熱形狀記憶復(fù)合材料梁，實現(xiàn)其展開過程.

圖13　鉸鏈驅(qū)動的太陽電池板地面模擬試驗 [1, 35]

如圖14(c)所示，哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制一種形狀記憶聚合物復(fù)合材料的可展開桁架，該桁架由18片圓弧截面的復(fù)合材料層合板、可伸縮的中心支架、軸承等主體構(gòu)成，桁架設(shè)計為6級展開，每級為間隔120 ℃的3個層合板片材. 展開實驗前桁架以M型折疊收縮，對桁架通電加熱，桁架能夠在120 s內(nèi)完全展開.

圖14　形狀記憶聚合物展開梁和桁架結(jié)構(gòu)[10,36]

DSX/PowerSail (Deployable Structures Experiment)計劃研制新一代的大面積、輕質(zhì)、高效率的太陽能電池帆板( 見圖15(b)). 計劃使用能夠縱向延伸的卷曲管狀形狀記憶復(fù)合材料展開梁(見圖15(a))來驅(qū)動該衛(wèi)星的柔性太陽能電池板的展開. 通過驅(qū)動兩邊緣的卷曲管狀形狀記憶復(fù)合材料梁展開，太陽能電池板隨之展開[1, 37].

圖15　形狀記憶聚合物復(fù)合材料可展開梁

如圖(16)所示，形狀記憶可展開天線為旋轉(zhuǎn)拋物面型天線反射面，由美國CTD公司開發(fā). 該天線的反射面可收縮折疊成傘型結(jié)構(gòu). 與形狀記憶固體表面可展開天線反射面對應(yīng)的背架支撐結(jié)構(gòu)，與一般網(wǎng)狀可展開天線相同[1, 38].

美國CTD公司還開發(fā)一種由條狀形狀記憶聚合物復(fù)合材料件支撐的天線反射面. 該天線反射面背面的上下邊緣處各固定連接有條狀形狀記憶聚合物復(fù)合材料的環(huán)向加強(qiáng)件(見圖17)[1, 39].

(a)折疊狀態(tài)　　　　　　　　　(b)展開狀態(tài)

圖17　形狀記憶聚合物復(fù)合材料支撐管天線[1, 39]

目前，NASA(美國航天局)在ESTP項目中正在開發(fā)一種直徑35 m，工作頻率為35 GHz的新型衛(wèi)星天線(見圖18). 由于其展開過程像花瓣打開一樣，因此被稱為“太陽花”天線[40].

針對探月工程，美國ILC Dover公司聯(lián)合航空航天局蘭利研究中心LaRC(NASA Langley Research Center )設(shè)計和制備了一個充氣可展開月球居住站[41]. 此居住艙的框架全部采用形狀記憶聚合物復(fù)合材料，由此實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的可折疊和充氣熱展開，實現(xiàn)了以較小的發(fā)射體積獲得較大的使用體積. ILC Dover公司制造空間自展開月球居住站典型樣件(見圖19)，并進(jìn)行模擬空間失重環(huán)境下的展開驗證實驗.

圖18　“太陽花”天線 [40]

哈爾濱工亞大學(xué)Leng提出一種基于形狀記憶聚合物的框架式空間可展開結(jié)構(gòu)(見圖20),該結(jié)構(gòu)包括多個立方體連接端部和多個形狀記憶聚合物可伸縮單元,形狀記憶聚合物可伸縮單元的兩端分別與立方體連接端部的一個面連接,進(jìn)而形成析架式的立方體式空間可展開框架,通過加熱元件加熱形狀記憶聚合物片層,形狀記憶聚合物片層加熱后變形伸展,從而來帶動伸縮套筒發(fā)生伸長變形,伸縮套筒伸長后實現(xiàn)立方體式空間可展開框架結(jié)構(gòu)的展開. 該結(jié)構(gòu)簡單可靠,穩(wěn)定性高,結(jié)構(gòu)展開所需驅(qū)動力較小,過程比較平穩(wěn),對系統(tǒng)的沖擊小,尤其避免了展開開始瞬間和鎖緊末期劇烈的沖擊載荷，為解決空間可展結(jié)構(gòu)在太空中存在的機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、展開難度高、不易操作、不穩(wěn)定、易受沖擊損壞、成本高的問題提出新的思路.

圖19基于形狀記憶聚合物復(fù)合材料的空間自展開月球居住站的展開過程[41]

(a) 框架式空間可展開結(jié)構(gòu)的　(b) 框架式空間可展開結(jié)構(gòu)的

軟件建模模型實物模型

圖20基于形狀記憶聚合物復(fù)合材料的立方體空間可展開結(jié)構(gòu)

低成本的，輕質(zhì)的，大口徑的光學(xué)反射面在未來的太空探測中是一個發(fā)展趨勢，為此，不同的材料制備技術(shù)和結(jié)構(gòu)組成是被研究和改進(jìn)，以達(dá)到良好的光學(xué)性能. 如圖21基于地面控制的可展開反射鏡，應(yīng)用形狀記憶復(fù)合材料蜂窩夾層結(jié)構(gòu)作為光學(xué)反射器的反射面支撐材料[42].

圖21　形狀記憶復(fù)合材料可展開光學(xué)反射器[42]

2004年，Varlese等發(fā)展一種以SMPC為基體的光學(xué)反射面，該反射面以碳纖維增強(qiáng)型氰酸酯基SMPC為基體，以0.02 mm厚的鎳粉薄膜為表面層. 該基體可為反射面的表面形態(tài)提供良好的剛度和強(qiáng)度；該鎳表面層又擁有較低的表面應(yīng)力和柔性的剛度，這個結(jié)構(gòu)在高溫下，可人工蜷曲，便于儲存，當(dāng)工作時，在高溫的驅(qū)使下，可再次自動展開，回復(fù)初始的反射面形態(tài)，展開過程見圖22[43].

圖22　SMPC 光學(xué)反射面展開過程[43]

此外，哈爾濱工亞大學(xué)Leng等基于形狀記憶聚合物的特點，設(shè)計并優(yōu)化結(jié)構(gòu)，探索研制形狀記憶聚合物釋放機(jī)構(gòu)，來代替爆炸螺栓完成對空間結(jié)構(gòu)的釋放. 提出應(yīng)用形狀記憶復(fù)合材料輕質(zhì)、高效能、簡單的特點及其記憶特性，探索研制新一代空間展開形狀記憶聚合物釋放結(jié)構(gòu)，減小在展開過程中對航天器空間展開結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的沖擊，減輕展開部件的質(zhì)量及簡化結(jié)構(gòu)來適當(dāng)?shù)慕档推湔駝宇l率，從而保證主要部件的安全與穩(wěn)定. 提出的大承載壓縮型復(fù)合材料釋放機(jī)構(gòu)具有較高的結(jié)構(gòu)抗拉強(qiáng)度，并且該結(jié)構(gòu)可在加熱過程中幾乎完全恢復(fù)到初始的直筒形態(tài)，結(jié)構(gòu)具有良好的解鎖能力. 圖23為大承載釋放機(jī)構(gòu)鎖緊和釋放示意.

2.2形狀記憶聚合物智能材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用

形狀記憶聚合物復(fù)合材料還能應(yīng)用于可變形機(jī)翼的蒙皮結(jié)構(gòu)[44]. 洛克希德·馬丁公司提出“折疊機(jī)翼”變形的概念，利用無人機(jī)作為驗證平臺，將其機(jī)翼設(shè)計為折疊式，折疊接縫部位采用形狀記憶聚合物材料，以保證機(jī)翼由折疊狀態(tài)展開后產(chǎn)生平滑的表面(見圖24)[45]. 針對折疊可變形機(jī)翼結(jié)構(gòu)，洛克希德·馬丁公司利用形狀記憶聚合物研制了兩種折疊翼無縫蒙皮(見圖25)[46]，將其用于折疊部位的縫隙處. 該蒙皮通過鎳鎘合金絲加熱實現(xiàn)蒙皮從玻璃態(tài)向橡膠態(tài)轉(zhuǎn)化，改變其剛度以滿足變形條件，但是在多次熱-機(jī)械循環(huán)載荷作用下鎳鎘合金絲折斷，導(dǎo)致形狀記憶聚合物無縫蒙皮破壞失效，該公司指出：解決了蒙皮加熱問題，該蒙皮將有極大的應(yīng)用潛力.

圖23　大承載釋放機(jī)構(gòu)鎖緊和釋放

圖24　可變形飛行器的折疊機(jī)翼 [45]

圖25　折疊機(jī)翼的形狀記憶聚合物蒙皮概念[46]

哈爾濱工業(yè)大學(xué)將彈性纖維加入到熱固性形狀記憶聚合物中，大大增強(qiáng)了形狀記憶聚合物的使用安全性，并將其用于可變形后緣機(jī)翼結(jié)構(gòu)，制備成無縫舵面，推遲氣流分離，提高升阻比，提高隱身性能. 針對可變形機(jī)翼蒙皮的需求，哈爾濱工業(yè)大學(xué)還制備了一種基于形狀記憶復(fù)合材料變剛度管的柔性基體蒙皮見圖26，該蒙皮利用形狀記憶聚合物的變剛度特性，使蒙皮即具有承載能力，又具有變形能力[47].

圖26　基于形狀記憶聚合物復(fù)合材料的無縫蒙皮[47]

此外，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的研究人員還提出一種可展開的機(jī)翼結(jié)構(gòu)[48]，該機(jī)翼以形狀記憶聚合物SMPs(shape memory polymers)作為蒙皮材料，由形狀記憶聚合物泡沫制成機(jī)翼的翼型. 在飛行器起飛前，為節(jié)省運(yùn)輸和發(fā)射空間，機(jī)翼被卷曲在機(jī)身上；飛機(jī)起飛后對機(jī)翼加熱能夠使其平穩(wěn)展開(見圖27)；待機(jī)翼完全展開后繼續(xù)對其加熱，內(nèi)部填充形狀記憶聚合物泡沫也恢復(fù)原有形狀以形成翼型，回復(fù)率近 100%(見圖28)；降溫后，整個機(jī)翼就完成展開和定型.

圖27　基于形狀記憶聚合物的可展開蒙皮結(jié)構(gòu)[47]

圖28　形狀記憶聚合物泡沫機(jī)翼填充結(jié)構(gòu)[47,48]

美國 CRG 公司(Cornerstone Research Group, Inc.)提出一種可變弦長機(jī)翼結(jié)構(gòu)[49](見圖29). 該機(jī)翼結(jié)構(gòu)的金屬肋可相互滑動從而可變機(jī)翼弦長，機(jī)翼內(nèi)其余部分由形狀記憶聚合物泡沫填充，對其加熱后機(jī)翼可變形，溫度降低后泡沫結(jié)構(gòu)可提供足夠的承載能力；該變形機(jī)翼的蒙皮結(jié)構(gòu)采用折疊形狀記憶聚合物薄板制成，通過熱刺激使蒙皮逐漸展開，覆蓋整個機(jī)翼表面.

圖29　滑動肋機(jī)翼結(jié)構(gòu) [47,49]

美國新一代航空公司與美國空軍研究實驗室合作提出了另一種變形蒙皮方案，即將形狀記憶聚合物蒙皮作為剪切變形蒙皮[50](見圖30). 通過大量的拉伸、剪切及溫度循環(huán)加載等力學(xué)性能測試，證實可變剛度的形狀記憶聚合物材料兼顧了變形和承受載荷兩方面的能力，但是在熱循環(huán)加載試驗過程中，材料與卡具的連接位置容易破壞，且有部分形變未能完全恢復(fù)到初始狀態(tài)，影響了其安全使用.

圖30　形狀記憶聚合物剪切蒙皮性能試驗[47,50]

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的研究人員也對形狀記憶聚合物蒙皮結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一系列的研究，并將其用于變后緣彎度機(jī)翼上[51]，變形結(jié)構(gòu)(見圖31). 通過給預(yù)埋的加熱絲通電，加熱形狀記憶聚合物蒙皮，降低了蒙皮結(jié)構(gòu)的剛度以滿足機(jī)翼變形條件. 在加熱狀態(tài)下，機(jī)翼后緣可實現(xiàn)快速、光滑連續(xù)的變形，變形角度達(dá)到+15°. 通過風(fēng)洞實驗證實，連續(xù)無縫的后緣可有效減緩氣流分離，提高升力系數(shù)，提高機(jī)翼的升阻比.

(a)0°狀態(tài)　　　　　　　　　(b)15°狀態(tài)[47]

3介電彈性體電活性聚合物

3.1電活性聚合物

電致活性聚合物作為一種新型的功能材料，當(dāng)其在受到外加電場作用時能夠改變形狀或體積，撤掉外加電場之后，又能恢復(fù)成原來的形狀或體積. 利用介電彈性體材料的這種特性，可用來設(shè)計和制造基于介電彈性體體材料的智能轉(zhuǎn)換器件，如介電彈性體驅(qū)動器、介電彈性體傳感器以及介電彈性體能量收集器等[52, 53-57]. 電活性聚合物材料與壓電、鐵電材料相比，介電彈性體材料具有的變形大和質(zhì)量輕等特點，是一種具有重大應(yīng)用前景的智能多功能軟物質(zhì)材料[58-77].

按照其作用機(jī)理不同，EAP主要分為電子型和離子型[54-70]. 電子型EAP材料主要包括介電彈性體DE(dielectric elastomer)、鐵電聚合物(ferroelectric polymers)、碳納米管(liquid crystal elastomers)等. 離子型EAP材料主要包括離子聚合物金屬復(fù)合材料IPMC(ionic polymer-metal composites)、碳納米管(carbon nano tube)和導(dǎo)電型聚合物(conductive polymers)[54-57]. 表1列舉出生物肌肉和典型EAP材料的主要性能. 碳納米管可分為單壁納米管和多壁納米管兩大類，并且其力學(xué)性能非常突出，彈性模量高、抗拉強(qiáng)度和機(jī)械強(qiáng)度較高. 而且還具有熱穩(wěn)定性高的特點，在高溫下的性能超過其它EAP材料[61,75-77]. 電致流變液體由介電顆粒懸浮于載液中組成. 在外電場作用下，介電顆粒發(fā)生極化并沿電場方向結(jié)成鏈狀結(jié)構(gòu)，致使流體的流變性能發(fā)生突變，從自由流動的液體變?yōu)轭愃颇z狀的固體[56]. 它具有響應(yīng)迅速、性能穩(wěn)定等優(yōu)點. 離子聚合物凝膠體在電場作用下，氫離子進(jìn)出時被聚合鏈上帶負(fù)電離子吸引或排出引起形狀變化. 凝膠可產(chǎn)生與生物肌肉相當(dāng)?shù)牧湍芰棵芏?，?qū)動性能優(yōu)異[57].

表1　生物肌肉和EAP材料的性能比較[57]

電子型EAP材料需要很高的驅(qū)動電場(>100 V/μm)以保證其產(chǎn)生一定的電致變形，該電場接近材料的擊穿電場[54-55]. 離子型EAP材料由電極和電解液組成. 為保證其正常工作，需保持其表面濕潤和周圍環(huán)境濕潤[56-57]. 這類材料在較低電場下就可以產(chǎn)生穩(wěn)定的伸長、縮短或彎曲等響應(yīng)[58].

總之，EAP材料是一種具有重大發(fā)展?jié)摿Φ闹悄芏喙δ懿牧希哂械拇笞冃?、高機(jī)電轉(zhuǎn)化效率、快速響應(yīng)、質(zhì)量輕、極佳柔性和回彈性等的優(yōu)點[59]使得介電彈性體材料應(yīng)用于驅(qū)動器浮空器飛艇舵、固態(tài)飛行器等各個方面，在航空航天和機(jī)械工程等領(lǐng)域顯示出巨大的應(yīng)用潛力[60-77].

3.2介電彈性體及其復(fù)合材料

3.2.1介電彈性體

介電彈性體屬于電子型EAP材料，通過外加電場的刺激，可產(chǎn)生大的形變，具有高彈性能密度、超短反應(yīng)時間、質(zhì)量輕等特點[78,53-68]. 硅橡膠和丙烯酸是最常見的介電彈性體[53-57,62-68]. 表2列舉出硅橡膠和丙烯酸材料性能的比較.

在介電彈性體兩個相對表面均勻涂覆柔性電極，對其兩端施加電壓時，彈性體的厚度的減小，面積的擴(kuò)大[52,53-77]. 圖32是電壓驅(qū)動介電彈性體的原理圖，由于在電極上施加電壓，上下兩層電極上的異性電荷相互吸引導(dǎo)致薄膜將產(chǎn)生明顯的面積和厚度變化.

表2　硅橡膠和丙烯酸性能的比較[56]

圖32　電壓驅(qū)動介電彈性體的原理[53]

3.2.2介電彈性體復(fù)合材料

由于介電彈性體的驅(qū)動電場與其擊穿電場屬于同一數(shù)量級，這個缺點大大的限制了它在商業(yè)上的應(yīng)用. 研究人員通過制備介電彈性體復(fù)合材料來改善形狀記憶聚合物的性能來解決這一問題[53,54,79-81].

制備高性能的介電彈性體復(fù)合材料大體上通過兩種方法，一種是采用物理共混的方法來制備顆粒填充或者聚合物填充的硅橡膠復(fù)合材料，另一種是基于化學(xué)交聯(lián)方法來制備丙烯酸互穿網(wǎng)絡(luò)型的介電彈性體.

通過物理共混的方法獲得介電彈性體復(fù)合材料主要通過以下3種不同的機(jī)理. 第一種是填充高介電常數(shù)的鐵電陶瓷顆粒，比如鈦酸鋇，鈮鎂酸鉛(PMN-PT)等等. 復(fù)合材料的介電常數(shù)和彈性模量均隨著填充顆粒含量的增加而增加[81]. 這種復(fù)合材料所需的驅(qū)動電場較低，而且在同一電場情況下，具有較高的驅(qū)動力. 第二種是如碳納米管的導(dǎo)電顆粒. 介電彈性體中的顆粒在外加高電場的作用下產(chǎn)生極化，提高了聚合物的介電性能，降低了所需要的驅(qū)動電場，而且還提高了復(fù)合材料的力學(xué)性能，比如提高彈性模量和驅(qū)動力等[54]. 第三種是填充一種高極性的共軛聚合物，比如PHT [poly(3-hexylthiophene)]等[53,79]. 與上面所述的顆粒填充型介電彈性體復(fù)合材料相比，此種復(fù)合材料具有高的介電常數(shù)和較低的彈性模量，更容易產(chǎn)生大的電致變形.

Ha等制備出性能優(yōu)異的互穿網(wǎng)絡(luò)丙烯酸介電彈性體材料[80]. 通過在丙烯酸內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中引入第二種聚合物的網(wǎng)絡(luò)使介電彈性體薄膜在脫離剛性支撐情況下保持預(yù)拉伸狀態(tài). 常用的第二種聚合物材料包括TMPTMA(trifunctional trimethylolpropane trimethacrylate) 和HDDA(hexandiol diacrylate). 具體的制備過程是，首先對丙烯酸薄膜進(jìn)行預(yù)拉伸并固定在剛性框架上，然后將TMPTMA或HDDA均勻的噴灑到薄膜上，溶劑聚合后將在薄膜內(nèi)形成第二種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu). 最后，把薄膜從剛性框架取下，形成的第二種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將使其保持在預(yù)拉伸狀態(tài). 研究表明，互穿網(wǎng)絡(luò)型的介電彈性體復(fù)合材料比普通介電彈性體材料的電致變形性能更佳(見圖33).

圖33　互穿網(wǎng)絡(luò)聚合物薄膜制備過程[80]

3.2.3介電彈性體理論研究進(jìn)展

2000年，Pelrine等建立一個簡單的模型來描述施加電場后的介電彈性體的力學(xué)性能. 把均勻涂覆柔性電極的介電彈性體看成可變電容的平行板電容器，(這是因為施加機(jī)械力和電場力后，材料將產(chǎn)生厚度的降低和面積的增加，因此影響電容的變化)，基于經(jīng)典的麥克斯韋理論，推導(dǎo)出應(yīng)力與施加電場和材料介電常數(shù)的關(guān)系. 它揭開了介電彈性體本構(gòu)理論研究的序幕[82]. 基于熱力學(xué)理論，美國哈佛大學(xué)鎖志剛教授研究組建立了可變形電介質(zhì)的熱力學(xué)理論框架. 他們從能量的角度出發(fā)，考慮機(jī)電耦合效應(yīng)，建立聯(lián)合彈性應(yīng)變能和電場能的系統(tǒng)自由能函數(shù)，推導(dǎo)可變形電介質(zhì)(比如介電彈性體)的本構(gòu)關(guān)系，研究其力學(xué)行為[83]. 把自由能直接寫成了彈性能和電場能的簡單加和形式，沒考慮兩種能量之間的耦合. 這是因為機(jī)械響應(yīng)和電響應(yīng)的響應(yīng)時間相差幾個數(shù)量級. 耦合存在于電場能的表達(dá)和幾何學(xué)關(guān)系中. 在此基礎(chǔ)上，劉彥菊等基于超彈性理論和機(jī)電耦合理論，并聯(lián)合材料參數(shù)的實驗測試，分析了介電彈性體及其復(fù)合材料的力學(xué)行為，推導(dǎo)出不同條件下的本構(gòu)關(guān)系(比如：約束變形情況下和自由變形情況下)[84]. 洪偉建立了粘彈性電介質(zhì)耗散系統(tǒng)的熱力學(xué)框架，推導(dǎo)出本構(gòu)關(guān)系，并研究其瞬態(tài)的不穩(wěn)定性[85]. 趙選賀等研究了介電彈性體非線性和非平衡態(tài)粘彈性力學(xué)行為[53,86].

介電彈性體在機(jī)械力場和電場等物理場耦合作用下將導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)，影響材料及其應(yīng)用器件的正常工作. 介電彈性體機(jī)電穩(wěn)定性研究開始于2007年[53,87]. 鎖志剛等揭示了介電彈性體軟質(zhì)材料從機(jī)電穩(wěn)定到機(jī)電不穩(wěn)定這一過程：施加電場后，由于靜電力作用，材料將沿電場施加的方向收縮，厚度變小導(dǎo)致施加的電場強(qiáng)度更高，靜電力更大，這一不可逆過程一直持續(xù)下去，當(dāng)超過其臨界電場時，介電彈性體被擊穿，這就是介電彈性體的機(jī)電不穩(wěn)定[87]. Plante等在實驗中觀測到介電彈性體的機(jī)電不穩(wěn)定現(xiàn)象[88](見圖34)，當(dāng)電壓增加到一定值時，介電彈性體薄膜分為平滑區(qū)域和褶皺區(qū)域. 處于平滑區(qū)的薄膜比較厚，平面拉伸較小；褶皺區(qū)的薄膜比較薄，平面拉伸較大. 并且，實驗過程中可明顯的觀測到介電彈性體薄膜的機(jī)電不穩(wěn)定區(qū)域的傳播過程[89].

圖34　介電彈性體的機(jī)電不穩(wěn)定[53,88]

鎖志剛等提出應(yīng)用自由能模型分析介電彈性體機(jī)電穩(wěn)定性[87]. 以neo-Hookean為例，對介電彈性體施加等雙軸預(yù)應(yīng)力和非等雙軸預(yù)應(yīng)力時的性質(zhì)分別進(jìn)行了研究，得出了介電彈性體名義電位移和名義電場的關(guān)系，從理論層面證明了預(yù)拉伸能夠顯著提高介電彈性體的機(jī)電穩(wěn)定性這一實驗現(xiàn)象，計算出的臨界擊穿電場和實驗結(jié)果吻合的很好[87-88]. 基于此，對介電彈性體機(jī)電耦合系統(tǒng)的非線性機(jī)電穩(wěn)定性的分析逐漸深入[87,89-100]. 劉彥菊等通過對Mooney-Rivlin彈性應(yīng)變能模型引入兩個材料常數(shù)的分析介電彈性體的機(jī)電穩(wěn)定性行為，引入的材料常數(shù)比k，得出當(dāng)k增大時，對應(yīng)不同類型或結(jié)構(gòu)的介電彈性體機(jī)電穩(wěn)定性顯著增強(qiáng). 理論結(jié)果能夠幫助指導(dǎo)介電彈性體驅(qū)動器的設(shè)計和制造[90]. 進(jìn)一步，劉彥菊等應(yīng)用多材料常數(shù)的彈性應(yīng)變能模型對介電彈性體機(jī)電穩(wěn)定性進(jìn)行了分析[53,91]. Norrisa應(yīng)用Ogden彈性應(yīng)變能分析彈性體的穩(wěn)定性行為,并給出Ogden模型簡化形式時，臨界真實電場、名義應(yīng)力與拉伸率的更為簡化的精確關(guān)系[92]. 周進(jìn)雄等對介電彈性體的不穩(wěn)定性傳播進(jìn)行了研究[89]. 何天虎等研究了介電彈性體經(jīng)歷非均勻變形時的機(jī)電穩(wěn)定性[94-95]. Xu等應(yīng)用全應(yīng)力理論進(jìn)行了介電彈性體的機(jī)電穩(wěn)定性研究[96]. 線性或非線性電致伸縮變化的介電彈性體的大變形和機(jī)電穩(wěn)定性被深入研究[97-101]. 介電彈性體經(jīng)歷大變形時的介電常數(shù)依賴于自身的變形[84,101]. 劉彥菊等基于Gofod等對丙烯酸的實驗研究[101]，提出介電常數(shù)是拉伸的非線性函數(shù)，從解析表達(dá)和數(shù)值模擬兩個角度深入研究系統(tǒng)的機(jī)電穩(wěn)定性[98-100]. 在對介電彈性體的電致變形實驗中，研究人員觀測到它從一個穩(wěn)定狀態(tài)突然跳變到另一個穩(wěn)定狀態(tài)，這一過程被稱為突跳穩(wěn)定性[102-103]. 理論結(jié)果也表明，介電彈性體有可能在未被電擊穿的情況下避免機(jī)電不穩(wěn)定的產(chǎn)生，進(jìn)而穩(wěn)定在一個厚度更薄的狀態(tài). 這是由于介電彈性體達(dá)到拉伸極限附近時，硬度突然急劇增大，增加了其抵抗電擊穿的能力，避免或者消除了機(jī)電不穩(wěn)定的產(chǎn)生[104].

實驗證明，可通過以下幾種方法來獲得介電彈性體大電致變形：預(yù)拉伸介電彈性體[82]，互穿網(wǎng)絡(luò)的介電彈性體[80,105]，應(yīng)用彈性體在溶劑中的溶脹效應(yīng)[106]，電荷驅(qū)動介電彈性體[107]等. 下面列舉幾個典型的電致變形實驗. 1998年，Pelrine等揭示出對硅橡膠介電彈性體施加電場后可產(chǎn)生30%的電致驅(qū)動變形[108]. 2000年，Science報道了經(jīng)歷300%的等雙軸預(yù)拉伸后丙烯酸在施加電場的條件下產(chǎn)生100%的電致驅(qū)動變形[82]. Ha等進(jìn)行的實驗證明了在介電彈性體中引入第2種網(wǎng)絡(luò)，使彈性體內(nèi)部的預(yù)拉伸增加，進(jìn)而增大了其電致驅(qū)動變形[105]. 另外，應(yīng)用電荷驅(qū)動代替電壓驅(qū)動介電彈性體可以誘導(dǎo)其產(chǎn)生超過100%的電致變形，這是因為應(yīng)用電荷驅(qū)動可以有效的抑制或避免機(jī)電不穩(wěn)定的發(fā)生[106]. 趙選賀和鎖志剛建立了能夠產(chǎn)生超大電致變形的介電彈性體理論，根據(jù)電壓—拉伸曲線和電擊穿—拉伸曲線的不同位置關(guān)系，提出3種不同機(jī)電響應(yīng)特性的介電彈性體. 該理論預(yù)測出選擇和設(shè)計適當(dāng)?shù)碾妷鹤冃雾憫?yīng)，超過500%的超大電致變形是可能達(dá)到的[107-108]. Koh等理論闡明了預(yù)拉伸后的介電彈性體或具有短鏈的介電彈性體復(fù)合材料將產(chǎn)生更大的電致驅(qū)動變形，綜合考慮預(yù)拉伸，應(yīng)變硬化和聚合物鏈長的影響，提出了介電彈性體產(chǎn)生超大變形的機(jī)理[109].

介電彈性體的機(jī)電相變理論及應(yīng)用此理論進(jìn)行更大能量轉(zhuǎn)化的方法被哈佛大學(xué)鎖志剛教授研究組提出，與物質(zhì)的相變類似，介電彈性體的厚度改變過程被稱為機(jī)電相變[53,110]. 從理論角度解釋了介電彈性體機(jī)電相變現(xiàn)象. 他們得到介電彈性體在單軸拉伸和施加電壓情況下，自由能隨拉伸率的變化規(guī)律：曲線中存在兩個局部最小點和一個鞍點，分別對應(yīng)于介電彈性體拉伸率不同的兩個變形穩(wěn)定狀態(tài)以及不穩(wěn)定狀態(tài). 兩個穩(wěn)定狀態(tài)對應(yīng)不同的自由能，對應(yīng)于介電彈性體的薄厚兩個穩(wěn)定的狀態(tài). 當(dāng)機(jī)械力及施加電壓發(fā)生改變時，彈性體將從當(dāng)前穩(wěn)定狀態(tài)跳變到另一個穩(wěn)定狀態(tài). 在此基礎(chǔ)上，Lu等[111]研究了介電彈性體管狀充氣驅(qū)動器在電壓和內(nèi)壓共同作用下的機(jī)電相變及其能量轉(zhuǎn)化，推導(dǎo)出膨脹區(qū)域與未膨脹區(qū)域共存的條件，并根據(jù)電擊穿和機(jī)械破壞確定了其許用區(qū)域. 結(jié)果表明膨脹轉(zhuǎn)換可以顯著增大機(jī)電能量轉(zhuǎn)換，管內(nèi)通氣膨脹區(qū)域與未膨脹區(qū)域共存時一個機(jī)電循環(huán)產(chǎn)生的能量是僅有未膨脹區(qū)域時的幾千倍.

介電彈性體換能器的動態(tài)特性以及機(jī)電轉(zhuǎn)換能力會受到耗散過程(如粘彈性，介電松弛以及漏電)的影響[53]. 介電彈性體受力和電壓作用時產(chǎn)生響應(yīng)是時間相關(guān)的耗散過程. 聚合物長鏈間的滑動和單體連接點的旋轉(zhuǎn)可導(dǎo)致黏彈性松弛；電子云畸變和極化群轉(zhuǎn)動可導(dǎo)致介電松弛； 電子和離子在介電彈性體內(nèi)的遷移可導(dǎo)致導(dǎo)電松弛. 在外力作用下，介電彈性體在一個特征時間內(nèi)松弛至一個新的變形狀態(tài)，這一特征時間即為粘彈性松弛時間；相應(yīng)的，在外電場作用下，存在介電松弛時間. Choon Chiang Foo等[112]基于非平衡熱力學(xué)建立了介電彈性體的耗散模型并對耗散介電彈性體的機(jī)電性能進(jìn)行分析. 與耗散有關(guān)的變量影響系統(tǒng)的自由能密度函數(shù)但與外載做功無關(guān). 基于上述模型，Choon Chiang Foo等[113]又對介電彈性體機(jī)電換能器性能進(jìn)行分析. 他們對一種機(jī)電換能器進(jìn)行了研究，分析了不同循環(huán)速度以及不同變形條件下的換能器性能. 李鐵風(fēng)等人研究了薄膜充氣式能量收集器在考慮非均勻場和粘彈性變形時的能量耗散和循環(huán)，指出了能量收集裝置在急速加載卸載以及經(jīng)過預(yù)拉伸下具有更優(yōu)的性能[53,114]. 王惠明等人研究了介電彈性體薄膜在氣壓與電壓耦合加載下的粘彈性變形，計算各種場隨時間的變化情況，結(jié)果表明當(dāng)外載小時薄膜會逐漸趨于穩(wěn)定，而外載過大時會隨著時間推移將會發(fā)生力電失穩(wěn)的情況[115].

在介電彈性體中，每個聚合物鏈可能由電偶極子單體組成. 當(dāng)介電彈性體受電壓作用時，偶極子向電場方向轉(zhuǎn)動. 當(dāng)電壓增加到足夠大時，偶極子和電場將會處于完全平行的狀態(tài)，此時材料極化飽和. 這種非線性的介電性能可包含在廣義理想介電彈性體模型中[52]. 李博等研究了極化飽和對介電彈性體的機(jī)電不穩(wěn)定性的影響[116]. 基于理想彈性體模型，考慮了介電非線性，通過對等雙軸拉伸的介電彈性體膜的研究，得到了介電彈性體在不發(fā)生機(jī)電不穩(wěn)定的情況下獲得大變形的幾種途徑；提出了介電彈性體的不同極化模型，進(jìn)而研究了當(dāng)材料失效時的驅(qū)動模式，通過理論證明了極化飽和可有效抑制或消除機(jī)電不穩(wěn)定. 李博等從分子鏈角度建立了條件極化模型，通過理論說明了條件極化能夠消除介電彈性體的不穩(wěn)定性[117]. Lallart等考慮了空間電荷分布不均勻性，確立了介電常數(shù)-薄膜厚度表達(dá)式，并考慮極化飽和的影響，對極化強(qiáng)度進(jìn)行修正. 理論分析及實驗結(jié)果表明極化飽和對聚合物的變形有限制作用[118]. 在此基礎(chǔ)上，他們又對多相電活性聚合物驅(qū)動器的變形驅(qū)動能力進(jìn)行了研究[118-119]，通過理論對影響考慮了極化飽和的兩相電活性聚合物系統(tǒng)變形能力的因素(相比，電場，頻率，溫度等)進(jìn)行分析，并通過實驗進(jìn)行驗證[53].

4介電彈性體材料的航空航天領(lǐng)域應(yīng)用

EAP材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用潛力已經(jīng)初步顯示出來. 傳統(tǒng)的的空間探測器窗口除塵機(jī)械刷不僅重量大而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而基于EAP驅(qū)動器，可以制成空間用智能除塵刷(比如月球車除塵刷，見圖35)，具有重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、驅(qū)動功率低等優(yōu)點，可、減輕空間探測器的重量[53,66]. 2007年，瑞士聯(lián)邦材料測試研究實驗室提出采用介電彈性體制作飛艇舵驅(qū)動器，能夠控制飛艇的自由轉(zhuǎn)向[53,67](見圖36(a)). 從2002年，俄亥俄航天局開始了基于電致活性聚合物材料進(jìn)行新概念飛行器—固態(tài)飛行器SSA(Solid State Aircraft)研究[68]( 見圖36(b)). 太空碎片已逐漸成為在軌道運(yùn)行的航天器的重大威脅. 而基于介電彈性體的最小能量結(jié)構(gòu)夾持器，由于其具有質(zhì)量輕、能耗低等特點，與機(jī)械式抓取結(jié)構(gòu)相比具有獨特的優(yōu)勢，故已逐漸在抓取空間碎片的方向上做出努力[53,120]. 圖37(a)分別為裝有該夾持器的衛(wèi)星概念圖，夾持目標(biāo)與多節(jié)式夾持器實物圖. 圖37(b)為基于介電彈性體的最小能量結(jié)構(gòu)夾持器的工作過程. 該夾持結(jié)構(gòu)，在發(fā)射時為了節(jié)省空間，處于卷曲狀態(tài)(狀態(tài)1)，入軌后釋放該夾持器，由于其自身的彈性能恢復(fù)其初始狀態(tài)(狀態(tài)2)，對夾持器施以電壓，進(jìn)一步展開(狀態(tài)3)，抓取空間碎片后，撤去電壓，將碎片抓牢(狀態(tài)4 與5). 制作出的用于概念驗證的夾持器，僅有0.65 g的質(zhì)量，卻有著2.2 mN 的最大夾持力與不小于60°的最大彎曲角[53,120].

圖35　基于電活性聚合物的智能除塵刷 [53,66]

(a)飛艇舵　　　　　　　　　(b)固態(tài)飛行器

圖36基于電活性聚合物的飛艇舵[53,67]固態(tài)飛行器[53,68]

圖37　基于介電彈性體的卷曲多節(jié)式可展開夾持器[53,120]

5結(jié)論

本文綜述了形狀記憶聚合物及其復(fù)合材料、電致活性聚合物材料以及在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用. 形狀記憶聚合物及其復(fù)合材料以及電致活性聚合物材料的諸多優(yōu)勢已經(jīng)在許多方面展示出其潛在應(yīng)用價值. 隨著研究工作的不斷深入，形狀記憶聚合物及其復(fù)合材料以及電致活性聚合物材料的力學(xué)性能和形狀記憶效應(yīng)會不斷提高和改善、成本不斷降低，其在各個領(lǐng)域應(yīng)用的廣度和深度將不斷拓寬.

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(編輯王小唯苗秀芝)

Soft intelligent material and its applications in aerospace

LIU Liwu1, ZHAO Wei1, LAN Xin2, LIU Yanju1, LENG Jinsong2

(1. Department of Astronautic Science and Mechanics, School of Astronautics, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China;2.Center for Composite Materials and Structures, School of Astronautics, Harbin Institute of Technology, Harbin 150080, China)

Abstract:Soft intelligent materials can produce different deformation under some external stimuli (such as temperature, electricity, light, magnetic field, and so on) to demonstrate the activities. As the representative of the new intelligent soft active polymer materials, shape memory polymer and electro active polymer are showing significant potential. In the review, the actuation methods, applications of SMP in the aerospace field and its composites are introduced; in addition, the recent progress of theoretical studies and aerospace applications of dielectric elastomer are summarized.

Keywords:soft intelligent polymer; composite; aerospace; active deformation; actuation methods

中圖分類號:V45

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:0367-6234(2016)05-0001-017

作者簡介:劉立武(1982—)，男，副教授，博士生導(dǎo)師;劉彥菊(1972—)，女，博士生導(dǎo)師;冷勁松(1968—)，男，博士生導(dǎo)師，長江學(xué)者特聘教授.通信作者: 冷勁松， lengjs@hit.edu.cn;

基金項目:國家自然科學(xué)基金(11102052, 11272106, 11225211).

收稿日期:2016-03-01.

doi：10.11918/j.issn.0367-6234.2016.05.001

劉彥菊， yj_liu@hit.edu.cn.