CN101015973A - 充气刚化形状记忆复合薄膜 - Google Patents

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刘宇艳
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Abstract

充气刚化形状记忆复合薄膜，它涉及一种可充气展开的太空结构用的复合材料。针对热固性可刚化复合材料存在储存能力差、基体树脂固化所需能量高、刚化过程不可逆及紫外固化复合材料存在固化过程难以控制、刚化过程不可逆的问题。本发明包括由里至外依次叠加在一起的内部气体阻隔层(1)、可刚化层(2)和加热层(3)；本发明还包括外部隔热层(4)；外部隔热层(4)叠加在加热层(3)的外表面上，外部隔热层(4)至少设置有两层，可刚化层(2)由形状记忆复合材料制成。本发明可以调节形状记忆温度，树脂固化所需能量低、固化过程易控制、刚化过程可逆，可进行多次的地面测试，室温条件下，几乎可以无限期存储，不会随储存时间增长出现性能下降、硬化条件降低等问题。

Description

充气刚化形状记忆复合薄膜
技术领域
本发明涉及一种可充气展开的太空结构用的复合材料。
背景技术
充气刚化太空结构是国际上新近开始研究开发的一种先进的航天工程结构新技术，其目标就是以低成本构建大型(或超大型)空间结构。它是一种以柔性材料构造的空间结构，在展开前它是柔性的，其摆放和折叠形式较为自由，需要较小的发射空间；当其工作时，以充气方式展开，利用刚化技术生成大型的超轻型的航天器结构部件或航天器的功能部件。利用充气刚化太空结构技术可以较容易地构建大型空间结构，同时可以减轻发射重量和发射体积，是一种能够构建大型空间结构和降低发射(运载)成本的有效解决途径。可作为充气刚化太空结构的复合材料有热固性可刚化复合材料和紫外固化复合材料。热固性可刚化复合材料是一种具有优异结构特性和设计灵活性的刚化材料，尽管热固性可刚化复合材料的优点较多，但它还存在储存能力差、基体树脂固化所需能量高、刚化过程不可逆，使飞行器设计复杂化的问题。紫外固化复合材料的优点是，它可用从太阳光得到的紫外线能量来固化，因而简化了系统设计。但是，利用太阳能来固化，其固化过程难以控制，形成阴影区，从而导致不均匀固化和结构形状畸变，同时还要考虑材料热膨胀系数(CTE)对形状精度的影响，且热固性和紫外固化是不可逆的，因而只能完成一次性刚化过程。
发明内容
本发明的目的是提供一种充气刚化形状记忆复合薄膜，它可解决热固性可刚化复合材料存在储存能力差、基体树脂固化所需能量高、刚化过程不可逆的问题及紫外固化复合材料存在固化过程难以控制、刚化过程不可逆的问题。本发明包括由里至外依次叠加在一起的内部气体阻隔层、可刚化层和加热层；本发明还包括外部隔热层；所述外部隔热层叠加在加热层的外表面上，外部隔热层至少设置有两层，所述可刚化层由形状记忆复合材料制成。
本发明具有以下有益效果：形状记忆复合材料选用玻璃化转变温度(Tg)高于空间环境中实际使用温度的树脂，充气刚化太空结构展开过程中对复合薄膜进行加热，节约能量，且硬化过程可逆，可进行多次的地面测试，室温条件下，几乎可以无限期存储而无明显的性能降低，固化条件简单，无最大厚度限制。通过对树脂合成工艺条件、参数等的控制，制得具有不同玻璃化转变温度的树脂品种；通过充气刚化太空结构设计可获得具有近于零的热膨胀系数(CTE)值，使充气刚化太空结构能够实现无缺陷的末端连接。本发明可以调节形状记忆温度，树脂固化所需能量低、固化过程易控制、刚化过程可逆、可进行多次的地面测试，室温条件下，几乎可以无限期存储，不会随储存时间增长出现性能下降、硬化条件降低等问题。
附图说明
图1是本发明的整体结构主视图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式由里至外依次由叠加在一起的内部气体阻隔层1、可刚化层2、加热层3和外部隔热层4组成；外部隔热层4设置有四层，可抵抗恶劣的空间环境，所述可刚化层2由形状记忆复合材料制成，外部隔热层4的层数根据不同的空间环境和任务的需要进行相应的选择设计。
具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式的内部气体阻隔层1由聚酰亚胺薄膜或聚酯薄膜材料制成。由于内部气体阻隔层1设置在充气刚化太空结构的最内侧，为了防止内部气体泄漏，保持气体和防止充气刚化太空结构在包装时粘结，内部气体阻隔层1选用上述材料可满足上述要求。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式的形状记忆复合材料由形状记忆聚合物和增强纤维复合制成，所述形状记忆聚合物是形状记忆聚氨酯、形状记忆环氧树脂、形状记忆聚酯、交联聚乙烯或交联聚苯乙烯其中的一种；增强纤维是PBO纤维、碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、超高分子量聚乙烯纤维或聚芳酯纤维其中的一种。可刚化层2由形状记忆复合材料制成，加热后折叠，冷却后在轨道上再次加热进行充气展开，冷却而得到硬质材料，用于支撑整个充气刚化太空结构，该层材料的合理设计是实现复合薄膜和充气刚化太空结构高性能的关键。其形状记忆刚化技术的原理是：将形状记忆复合材料加热到形状记忆聚合物熔融温度或Tg以上，快速冷却成型使树脂获得永久变形，这是应力最低的状态。在Tg以上进行限制性折叠产生存储应力能，然后在Tg以下冷却，便可获得这种新形状的暂时形状。如果加热到形状记忆复合材料的恢复温度，材料便会释放存储的应力能转变为原来的永久变形，即展开状态。具体操作过程为：在地面将充气刚化太空结构加热到材料形状记忆温度以上，使材料变柔软后折叠打包后冷却，发射升空到达预定轨道后，对充气刚化太空结构加热，到形状记忆复合材料的恢复温度，充气展开，充气刚化太空结构展开到达预定形状后，停止加热，当充气刚化太空结构温度低于材料的形状记忆恢复温度后，充气刚化太空结构即表现出刚性。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式的加热层3由聚酰亚胺薄膜与金属箔或金属细丝复合制成。加热层3为展开提供合适的温度，在充气刚化太空结构展开时，嵌入的加热层3先把复合薄膜加热到形状记忆恢复温度，辅以充气，充气刚化太空结构就会逐渐展开，然后再冷却刚化。加热层3的加热是可控的、可预测的，加热层3需要的能量来自于航天器的电源。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式的外部隔热层4由单面或双面镀铝打孔的聚酰亚胺薄膜或聚脂薄膜与涤纶网复合制成，可隔绝外部太阳的热量，防止充气刚化太空结构内部温度超过Tg，导致刚化结构变软。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式六：结合图1说明本实施方式，本实施方式由从里至外依次叠加在一起的内部气体阻隔层1、可刚化层2、加热层3、外部隔热层4组成；所述内部气体阻隔层1选用厚度为25μm的杜邦公司生产的开普坦(Kapton)薄膜；可刚化层2选用双向编织的3K，T300平纹布作为纤维增强材料，树脂体系选用形状记忆聚氨酯，形状记忆温度为30～60度，为提高韧性，可以加入占树脂重量1％～5％的纳米蒙脱土或纳米二氧化硅，可刚化层2厚度为0.3～0.6mm，可刚化层2的层数根据需要确定；加热层3选用厚度为0.025mm～0.030mm的聚酰亚胺薄膜与金属箔或金属细丝复合而成的柔性薄膜，加热层3的制备方法为：加热层3的上下表面选用聚酰亚胺薄膜，将符合电性能要求的金属箔或金属细丝放在两聚酰亚胺薄膜中间，涂上热固性胶粘剂，在压机上经加热加压后制备而成。加热层3的厚度为0.1mm～0.2mm，加热功率为150～250w/m2，外部隔热层4采用单双面镀铝打孔的聚酰亚胺薄膜或聚脂薄膜和涤纶网以不同方式层合而成。如此设置，适合中、小型充气刚化太空结构。
具体实施方式七：结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式六的不同点是：本实施方式的树脂体系选用形状记忆环氧树脂，形状记忆温度为60～120度，加热层3的加热功率为350～490w/m2。如此设置，适合大、中型充气刚化太空结构。

Claims (7)

1、一种充气刚化形状记忆复合薄膜，它包括由里至外依次叠加在一起的内部气体阻隔层(1)、可刚化层(2)和加热层(3)；其特征在于它还包括外部隔热层(4)；所述外部隔热层(4)叠加在加热层(3)的外表面上，外部隔热层(4)至少设置有两层，所述可刚化层(2)由形状记忆复合材料制成。
2、根据权利要求1所述的充气刚化形状记忆复合薄膜，其特征在于所述内部气体阻隔层(1)由聚酰亚胺薄膜或聚酯薄膜材料制成。
3、根据权利要求1所述的充气刚化形状记忆复合薄膜，其特征在于所述形状记忆复合材料由形状记忆聚合物和增强纤维复合制成。
4、根据权利要求3所述的充气刚化形状记忆复合薄膜，其特征在于所述形状记忆聚合物是形状记忆聚氨酯、形状记忆环氧树脂、形状记忆聚酯、交联聚乙烯或交联聚苯乙烯。
5、根据权利要求3所述的充气刚化形状记忆复合薄膜，其特征在于所述增强纤维是PBO纤维、碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维、超高分子量聚乙烯纤维或聚芳酯纤维。
6、根据权利要求1所述的充气刚化形状记忆复合薄膜，其特征在于所述加热层(3)由聚酰亚胺薄膜与金属箔或金属细丝复合制成。
7、根据权利要求1所述的充气刚化形状记忆复合薄膜，其特征在于所述外部隔热层(4)由单面或双面镀铝打孔的聚酰亚胺薄膜或聚脂薄膜与涤纶网复合制成。
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