[發明專利]一種形狀記憶復合材料鉸鏈及其制備方法

有效

• 申請號: 201310360466.8
• 申請日: 2013-08-19
• 公開（公告）號: CN103438090A
• 公開（公告）日: 2013-12-11
• 發明（設計）人: 白江波;熊峻江;馬閱軍
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: F16C11/04
• 分類號: F16C11/04;B29C70/42;B29C65/52
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛華

技術領域

本發明提供一種形狀記憶復合材料鉸鏈及其制備方法，屬于復合材料結構設計與制造技術領域。

背景技術

形狀記憶復合材料鉸鏈是由一種具有形狀記憶功能的結構，可以完成折疊和展開大變形過程而不發生破壞。形狀記憶復合材料鉸鏈不僅重量輕，而且性能優異，因此近些年來得到越來越多關注，尤其在航天領域。形狀記憶復合材料鉸鏈按照折疊和展開變形機理分為兩類：一類是采用常規復合材料（組分材料中的聚合物材料不具有形狀記憶特性）制成，折疊和展開過程均發生彈性變形，首先通過施加外力使其折疊變形，需要展開時再利用其折疊變形時儲存的彈性應變能完成展開變形過程，進而恢復至其初始構型，實現形狀記憶功能；另一類是采用本身具有形狀特性的復合材料（組分材料中的聚合物材料具有形狀記憶特性）制成，首先將其加熱到形狀記憶復合材料的轉變溫度以上，施加外力使其折疊變形，在折疊變形狀態下冷卻，凍結折疊變形狀態，需要展開時再將其加熱升溫完成展開變形過程，進而恢復至其初始構型，實現形狀記憶功能。經典的形狀記憶復合材料鉸鏈從結構設計角度，又可分為分片式形狀記憶復合材料鉸鏈和圓管型形狀記憶復合材料鉸鏈。分片式形狀記憶復合材料鉸鏈由多片復合材料薄殼和兩端的夾具組成，變形能力強，但是除了復合材料薄殼之外，還需要額外的夾具將復合材料薄殼裝配起來才能發揮作用，因此，結構復雜、整體性差、重量大；圓管型形狀記憶復合材料鉸鏈是在復合材料圓管上兩側需要開口的區域進行開口，以滿足折疊和展開需要，是一種為整體的鉸鏈結構，因此，結構簡單、整體性好、重量輕。分片式形狀記憶復合材料鉸鏈和圓管型形狀記憶復合材料鉸鏈雖然是目前研究和應用最廣泛的兩種復合材料鉸鏈，但是仍有不足之處，即在完全展開狀態下的橫向抗彎和軸向抗扭能力相對較弱，不利于在承受復雜載荷的條件下使用。

發明內容

本發明的目的在于提供一種形狀記憶復合材料鉸鏈及其制備方法，以解決經典的形狀記憶復合材料鉸鏈在完全展開狀態下的橫向抗彎和軸向抗扭能力相對較弱的技術問題。

本發明所采用的技術方案如下：

1)本發明一種形狀記憶復合材料鉸鏈，它是一種整體的管型鉸鏈，與圓管型形狀記憶復合材料鉸鏈的區別在于橫截面形狀，本發明的形狀記憶復合材料鉸鏈的橫截面為上下對稱并且左右對稱的，橫截面的輪廓線的一半為型，即由中間凸弧、兩側凹弧和水平邊組成，與中間凸弧、兩側凹弧和水平邊相對應的為本發明的形狀記憶復合材料鉸鏈的中間凸殼、兩側凹殼和膠接面三個部分。本發明的形狀記憶復合材料鉸鏈沿長度方向分為兩端的非開口區和中間段的開口區，設置中間段的開口區是為了滿足折疊和展開的需要，這與圓管型形狀記憶復合材料鉸鏈類似，但是本發明的形狀記憶復合材料鉸鏈的開口區必須對稱設置在中間段的兩側凹殼附近，并且在開口時保留中間段的膠結面。

本發明的形狀記憶復合材料鉸鏈所選用的復合材料由增強材料和聚合物材料組成，組分材料中的聚合物材料具有形狀記憶特性，選用具有形狀記憶特性的聚合物材料制備本發明的形狀記憶復合材料鉸鏈，則利用聚合物材料自身的形狀記憶特性實現形狀記憶復合材料鉸鏈的折疊展開的形狀記憶功能。

其中，組分材料中的聚合物材料可以不具有形狀記憶特性，選用不具有形狀記特性的聚合物材料制備本發明的形狀記憶復合材料鉸鏈，則利用彈性形變實現形狀記憶復合材料鉸鏈的折疊展開的形狀記憶功能。

2）本發明一種形狀記憶復合材料鉸鏈的制備方法，其制備步驟如下：

步驟一、確定用于制備本形狀記憶復合材料鉸鏈的復合材料組分，即增強材料和聚合物材料。

步驟二、確定復合材料的固化成型方法。

步驟三、用所選的復合材料制備兩片相同的型復合材料薄殼。

步驟四、將兩片相同的型復合材料薄殼的膠接面通過膠黏劑進行粘接，形成的復合材料薄壁管件。

步驟五、將步驟四制備的復合材料薄壁管件在中間段的兩側凹殼附近開口，并且在開口時保留中間段的膠結面，形成中間段的開口區，最終就得到了本發明的形狀記憶復合材料鉸鏈。中間段的開口區附近保留的膠接面，可以有效提高本發明的形狀記憶復合材料鉸鏈在完全展開狀態下的橫向抗彎和軸向抗扭能力。

其中，步驟一中所述的“聚合物材料”為環氧樹脂、苯乙烯、苯乙烯-丁二烯、反式聚異戊二烯、氰酸酯、聚氨酯、聚降冰片烯、聚酰亞胺、雙馬來酰亞胺、聚酰胺、聚苯硫醚、聚芳醚酮、聚乙烯醇，增強材料為碳纖維、玻璃纖維、Kevlar纖維、硼纖維、植物纖維或以上纖維織物或以上纖維的短切纖維，以及微米或納米級的碳粉、碳納米顆粒或碳納米管。