一种薄壁柱壳结构的制备方法及展开回收方法

技术领域

本发明属于空间结构材料设计技术领域，具体涉及一种薄壁柱壳结构的制备方法及展开回收方法。

背景技术

受限于发射体积及重量等要求，航天领域空间结构如星载天线、太阳帆、太阳能电池板及各类伸展臂等常需采用轻质、高刚度、可展开结构。薄壁可展开柱壳结构是一类具有薄壁特征，可弯折或卷曲收纳，能够依靠自身存储的弹性能或驱动装置展开，展开后截面为弧状，具备一定支撑刚度和稳定构型的结构。由于薄壁可展开柱壳具有结构简单、收纳效率高、展开刚度大等优点，在空间结构中已有较多应用。

随着复合材料技术的发展，复合材料薄壁可展开柱壳在已有可展开柱壳结构的优势基础上，进一步降低了结构重量，提升了结构的比刚度，并具有良好的热稳定性能等特点，在空间可展开结构中的应用受到了研究人员的重视。面向不同应用需求，国内外相关研究人员已提出并研究了多种不同结构形式和展开驱动机制的复合材料可展开柱壳。其中，采用织物复合材料在特定铺设角度下成型得到的复合材料可展开柱壳具有双稳态特性，即在卷曲与展开状态均处于稳定状态，无需外界约束。相比其它类型复合材料可展开柱壳结构，该类柱壳结构具有成型工艺简单、收纳效率高、收纳装置简单、展开过程可靠等优势，在空间可展开结构及其它工程领域具有广泛的应用前景。

然而，目前现有的薄壁柱壳结构，多为单向展开结构，无法实现自动收回，这意味着依托于薄壁柱壳结构的机构展开后无法回收，大大限制了其应用。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前的薄壁柱壳材料多为单向展开结构，从而限制了材料应用的问题，提供一种薄壁柱壳结构的制备方法及展开回收方法，通过材料设计与薄壁柱壳结构相结合，获得伸展臂的可逆变形，在深空探测等领域中具有重大的应用前景。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种薄壁柱壳结构的制备方法，所述方法具体为：

步骤一：以1-3层的纤维布作为增强材料，以形状记忆聚合物作为树脂基体，制备形状记忆复合材料，复合材料的树脂含量为65～85％；

步骤二：在60-120℃预固化0.5-6小时后，初步定型，制成卷曲形状，然后对其进行后固化，后固化在120-200℃下加热4-10h后完成，定型，得到材料的初始形状；

步骤三：对材料进行形状记忆赋形，将得到的样品加热到玻璃化转变温度之上，使用管状模具对其进行赋形，降低到玻璃化转变温度以下，获得薄壁柱壳结构的临时形状；此时，在室温状态下，对材料进行卷曲定型，由于设计的薄壁柱壳结构具有双稳态特性，卷曲形状得以定型，材料制备完成。

一种上述制备的薄壁柱壳结构的展开回收方法，所述方法具体为：室温状态时，制备的薄壁柱壳在触发力作用下，能够弹性展开，得到伸展臂状态，完成任务后，通过相应的外界(热、电、光等)刺激，触发形状记忆性能，在形状记忆效应下，从伸展的薄壁柱壳结构的临时形状回复到卷曲状态的初始形状，完成整个变形过程。

本发明相对于现有技术的有益效果为：本发明的薄壁柱壳的弹性展开特性，能够实现结构的展开，利用形状记忆性能，实现展开结构的回复，同时，利用电热膜或光热转换粒子的掺杂，可以获得特性条件下展开结构的回收，两种展开方式的结合，实现了伸展结构的可逆变化，这是之前报道的伸展结构所不具备的特性。

附图说明

图1为薄壁柱壳卷曲状态与展开状态可逆变化示意图；

图2为形状记忆环氧树脂基体材料的DMA测试曲线图；

图3为形状记忆复合材料的应力-应变曲线图；

图4为薄壁柱壳的收拢状态实物图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

具体实施方式一：本实施方式记载的是一种薄壁柱壳结构的制备方法，所述方法具体为：

步骤一：以1-3层的纤维布作为增强材料，以形状记忆聚合物作为树脂基体，制备形状记忆复合材料，复合材料的树脂含量为65～85％，主要为了保证复合材料的形状记忆性能；具体选择1～3层的纤维布需要根据不同布的种类确定，如果太厚，不易折叠，可能不再具备薄壁柱壳特征，如果太薄，则力学性能较差。

步骤二：按照特定尺寸制备片状的形状记忆复合材料，在60-120℃预固化0.5-6小时后，初步定型，制成卷曲形状，然后对其进行后固化，后固化在120-200℃下加热4-10h后完成，定型，得到材料的初始形状，如图1左侧所示；

步骤三：对材料进行形状记忆赋形，将得到的样品加热到玻璃化转变温度之上，使用管状模具对其进行赋形，如图1右侧所示，降低到玻璃化转变温度以下，获得薄壁柱壳结构的临时形状；此时，在室温状态下，对材料进行卷曲定型(如图1左侧所示)，由于设计的薄壁柱壳结构具有双稳态特性，卷曲形状得以定型，材料制备完成。其中，由于薄壁柱壳在完全收拢和完全展开状态下，均为稳态结构，因此，两种状态下均可实现稳定的定形，无需借助外力。

进一步地，步骤一中，所述纤维布为碳纤维布、芳纶纤维布或玻璃纤维布中的一种。

进一步地，步骤一中，所述形状记忆聚合物为形状记忆环氧树脂、形状记忆聚氨酯、形状记忆聚酰亚胺或形状记忆聚苯乙烯中的一种。

进一步地，步骤一中，所述制备的方法具体为胶液浇注法、模压法、袋压法或手糊成型法中的一种。

进一步地，步骤一中，在所制备材料的内侧或外侧，配备具有一定柔韧性的导电加热膜。

进一步地，步骤一中，在树脂基体中添加适量的光热转化粒子。

进一步地，所述光热转化粒子为Fe

本发明可通过热场触发形状记忆复合材料的形状记忆性能，无需增添其他装置，为了在不同刺激下激发材料的形状记忆效应，将材料设计成不同的特点，本发明可以在制备材料的内侧或者外侧，配备具有一定柔韧性的导电加热膜，通过电触发材料的形状记忆性能，还可以在树脂基体中添加适量的光热转化粒子，包括Fe

具体实施方式二：一种上述制备的薄壁柱壳结构的展开回收方法，所述方法具体为：室温状态时，制备的薄壁柱壳在触发力作用下，能够弹性展开，得到伸展臂状态，完成任务后，通过相应的外界(热、电、光等)刺激，触发形状记忆性能，在形状记忆效应下，从薄壁柱壳结构的临时形状回复到卷曲状态的初始形状，完成整个变形过程。

实施例1：

使用异佛尔酮二胺、D230作为固化剂，环氧树脂E51为树脂基体，碳纤维布作为增强材料，制备形状记忆环氧树脂复合材料，对得到的基体材料进行动态热机械分析(DMA)，如图2所示，所得材料的T

实施例2：

使用芳纶纤维布作为增强项，形状记忆聚苯乙烯基体材料制备形状记忆复合材料，对得到的复合材料进行拉伸测试，得到应力-应变曲线，如图3所示，所得材料的最大强度为209.62MPa，弹性模量为7.26GPa，断裂伸长率为3.38％。

实施例3：

使用碳纤维增强的形状记忆环氧树脂复合材料，制备可展开薄壁柱壳结构，所得材料卷曲状态如图4所示，其可以实现弹性展开和形状记忆收回。