CN104816815A - 一种形状记忆合金纤维与超弹体复合物变形蒙皮 - Google Patents
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Abstract
一种形状记忆合金纤维与超弹体复合物变形蒙皮，本发明属于航空技术领域，它为了解决现有变形蒙皮功能单一以及变形性能不足的问题。本发明形状记忆合金纤维与超弹体复合物变形蒙皮由超弹体基体和形状记忆合金纤维组成，形状记忆合金纤维平行固化排列于超弹体基体中。本发明所述的多功能变形蒙皮兼备面内变形能力、面外变形能力和变刚度特性，能够实现剪切角度为±20°的面内变形而且蒙皮几乎不产生较大的褶皱，面外变形能由平面状态变形到T型曲面状态。同时通过热能的激励，形状记忆合金在马氏体相与奥氏体相相互转变的过程中，此复合物蒙皮系统能够获得变刚度特性。
Description
技术领域
本发明属于航空技术领域，具体涉及用于变形航空器的变形蒙皮材料。
背景技术
形状记忆合金作为一种智能材料，近年来在世界范围内工业界和学术界对其进行了广泛的性能研究和产品开发。形状记忆合金的两个重要特性是超弹性和形状记忆特性。将形状记忆合金用于设计制作为驱动装置是它的一个主要的应用领域。当然由于形状记忆合金的这两个重要特性，使它在很多方面都展示出了广阔的应用前景。
超弹体是一类具有超大变形能力的软材料，在文献的报道中有超过100％应变变形的研究。申请号为CN201310245511.5的专利中提供了一种多根形状记忆聚合物变刚度管沿轴线方向并列排列并镶嵌在柔性硅橡胶基体内复合而成的变形蒙皮，通过改变环境温度可以改变这类蒙皮的刚度。其发明的蒙皮改善了单纯以橡胶为蒙皮材料带来的机翼整体承载能力低的缺点，蒙皮变刚度前后保持了蒙皮表层的光滑性和连续性，变刚度过程中对驱动能的要求低。此发明利用形状记忆聚合物作为基体制作成复合材料管以实现蒙皮的变刚度特性，由于形状记忆聚合物复合材料管结构的限制，其功能相对单一。
申请号为CN201310274350.2的专利中提供了一种承载性能好的抗皱褶可变形蒙皮，包括柔性蒙皮基体，还包括纤维增强体和多个柱状承载结构，纤维增强体和多个柱状承载结构固化于柔性蒙皮基体中，多个柱状承载结构相互平行。此发明的蒙皮由于采用的纤维增强体为复合材料圆棒和凯夫拉纤维，限制了此蒙皮的弯曲变形能力。
现有的变形蒙皮技术一方面要具有良好的蒙皮承载能力，这就要求蒙皮具备较强的刚度；另一方面要求蒙皮具备较好的变形能力。在这种矛盾需求下，已提出或者设计的蒙皮往往是功能单一、结构复杂。目前变形飞行器变形蒙皮领域亟待解决的正是一种可靠易行的多功能变形蒙皮，这样变形飞行器才可以真正拥有像鸟类或者蝠类一样的翅膀，变形翱翔。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有变形蒙皮功能单一以及变形性能不足的问题，而提供一种形状记忆合金纤维与超弹体复合物多功能变形蒙皮。
本发明形状记忆合金纤维与超弹体复合物变形蒙皮由超弹体基体和形状记忆合金纤维组成，形状记忆合金纤维平行固化排列于超弹体基体中。
本发明所述的形状记忆合金纤维与超弹体复合物变形蒙皮兼备面内变形能力、面外变形能力和变刚度特性。这种多功能变形蒙皮系统在不同程度的热能激励下表现出可调节的特性，同时该多功能变形蒙皮能够根据不同的应用情况展现出不同的功能。
本发明中的多功能变形蒙皮不单是激发了形状记忆合金纤维与超弹体这两种材料性能的提升，更重要的是还展现出了有别于形状记忆合金和超弹体材料自身性质外新的特性。无论形状记忆合金处于马氏体相还是奥氏体相，此复合物多功能蒙皮系统都展示出良好的面内变形性能，能够实现剪切角度为±20°的面内变形而且蒙皮几乎不产生较大的褶皱。当形状记忆合金处于马氏体相时，此复合物多功能蒙皮系统展示出良好的面外变形性能，面外变形能由平面状态(180°)变形到T型曲面(90°)状态。同时通过热能的激励，形状记忆合金在马氏体相与奥氏体相相互转变的过程中，此复合物多功能蒙皮系统能够获得变刚度特性。由此该复合物多功能蒙皮系统兼备面内变形能力、面外变形能力和变刚度特性，在变形飞行器的变形蒙皮应用领域展现出宽阔的应用前景，特别适合于类蝙蝠翼装蒙皮装备于变形飞行器中。
附图说明
图1为形状记忆合金和超弹体杨氏模量随温度变化图，其中1—超弹体，2—形状记忆合金；
图2为形状记忆合金纤维与超弹体复合物变形蒙皮的结构示意图，其中1—超弹体，2—形状记忆合金；
图3为形状记忆合金纤维与超弹体复合物蒙皮面内变形性能示意图，其中左侧虚线表示正角度面内剪切循环变形，右侧虚线表示负角度面内剪切循环变形；
图4为形状记忆合金纤维与超弹体复合物蒙皮面外变形性能示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式形状记忆合金纤维与超弹体复合物变形蒙皮由超弹体基体1和形状记忆合金纤维2组成，形状记忆合金纤维2平行固化排列于超弹体基体1中。
本实施方式当形状记忆合金处于马氏体相时，通过驱动器的作用驱动此多功能变形蒙皮的面外变形。然后对形状记忆合金进行热能激励，此多功能变形蒙皮能够快速回复到初始形状。
本实施方式多功能变形蒙皮包含以下优点：
1、此多功能变形蒙皮中无论形状记忆合金纤维是处于马氏体相还是奥氏体相，此复合物多功能蒙皮系统都展示出良好的面内变形性能。
2、当形状记忆合金处于马氏体相时，此复合物多功能蒙皮展示出良好的面外变形性能。
3、通过热能的激励，形状记忆合金在马氏体相与奥氏体相相互转变的过程中，形状记忆合金的模量在复合物蒙皮中起主导作用，形状记忆合金具有天然变刚度特性，因此该多功能蒙皮能够获得变刚度特性。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是所述的超弹体基体1为橡胶类超弹体、凝胶类超弹体或聚氨酯类超弹体。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是所述的形状记忆合金纤维2的材质为镍钛系形状记忆合金、铜镍系形状记忆合金、铜铝系形状记忆合金、铜锌系合金或铁系形状记忆合金。其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是形状记忆合金纤维2的直径为0.25mm～10mm。其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是形状记忆合金纤维2在超弹体基体1中的体积分数为5％～20％。其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是通过热能激励实现形状记忆合金纤维2在马氏体相与奥氏体相之间转变。其它步骤及参数与具体实施方式五相同。
本实施方式形状记忆合金在马氏体相与奥氏体相相互转变的过程中，此多功能变形蒙皮能够获得变刚度特性。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是所述的热能激励为热场加热、磁场致热或电场加热。其它步骤及参数与具体实施方式六相同。
实施例一：本实施例形状记忆合金纤维与超弹体复合物变形蒙皮由硅橡胶类超弾体1和镍钛形状记忆合金合金纤维2组成，镍钛形状记忆合金合金2平行固化排列于硅橡胶类超弾体1中。
本实施例所用的形状记忆合金纤维是直径为1毫米的镍钛形状记忆合金线，其中钛的重量含量为50％。本实施例所用的超弹体为美国BJB公司的一种室温即可混合固化的TC5005A/B-C型号的硅橡胶。形状记忆合金纤维2平行固化排列于超弹体基体1中，形状记忆合金纤维2在超弹体基体1中的体积分数为8％。
本实施例多功能变形蒙皮的制备方法如下：首先将形状记忆合金线作为增强纤维平行排布在亚克力板制作的模具中，然后将超弹体溶液放置到抽真空装置中以去除溶液中溶解的空气，将超弹体溶液充分搅拌混合后倾倒于模具中，最后将填充有超弹体溶液的模具放入封闭且透气的箱体中室温固化处理，从而得到形状记忆合金纤维与超弹体复合物多功能变形蒙皮。
图1为形状记忆合金和超弹体杨氏模量随温度变化图，在图1中纵坐标杨氏模量的单位为GPa；横坐标中As为奥氏体开始转变温度，Af为奥氏体结束转变温度。当形状记忆合金温度比As低，形状记忆合金为马氏体相用较小的力就能够轻易实现变形。当形状记忆合金温度比Af高，形状记忆合金转变成奥氏体相，外力很难让它产生变形。如图1所示，形状记忆合金的杨氏模量随着温度的变化而变化，超弹体的杨氏模量随着温度的变化保持不变。图1揭示了无论是奥氏体相还是马氏体相，形状记忆合金的杨氏模量都比超弹体的杨氏模量大三个数量级还要多。两种材料模量间如此巨大的差异说明如果不是形状记忆合金在它们所组成的复合物体积分数特别低，在其变形过程中形状记忆合金将起主导性作用。这样这两种材料复合制成的蒙皮通过热能的激励，就可以获得变刚度的特性。当热能激励，形状记忆合金的温度升高时复合物蒙皮就能够获得较大的刚度，根据任务的需要就可以抵御较大面外荷载而发生较小的变形。
如图3复合物蒙皮面内变形性能示意图所示，此多功能变形蒙皮中无论是形状记忆合金纤维处于马氏体相还是奥氏体相，此复合物多功能蒙皮都可以进行面内剪切变形。从图3中可以看到，形状记忆合金与超弹体复合物蒙皮可以实现正角度的剪切循环变形，剪切变形角度达到20°。同样的形状记忆合金与超弹体复合物蒙皮可以实现负角度的剪切循环变形，同样的剪切变形角度也可以达到20°。显而易见的是，形状记忆合金与超弹体复合物蒙皮可以实现在整个剪切循环变形过程中的变形，剪切变形角度可以达到40°。
如图4复合物蒙皮面外变形性能示意图所示，由于形状记忆合金的快速回复能力，形状记忆合金与超弹体复合物蒙皮能够快速的从任意给定形状回复到初始形状。当形状记忆合金处于马氏体相时，通过驱动器的作用驱动此多功能变形蒙皮的面外变形，面外变形能够由平面状态(180°)变形到T型曲面(90°)状态，甚至是更大的弯曲角度范围。然后对形状记忆合金进行热能激励，此多功能变形蒙皮能够快速的回复到初始形状。整个面外变形过程是可逆的。
Claims (7)
1.一种形状记忆合金纤维与超弹体复合物变形蒙皮，其特征在于该形状记忆合金纤维与超弹体复合物变形蒙皮由超弹体基体(1)和形状记忆合金纤维(2)组成，形状记忆合金纤维(2)平行固化排列于超弹体基体(1)中。
2.根据权利要求1所述的一种形状记忆合金纤维与超弹体复合物变形蒙皮，其特征在于所述的超弹体基体(1)为橡胶类超弹体、凝胶类超弹体或聚氨酯类超弹体。
3.根据权利要求1所述的一种形状记忆合金纤维与超弹体复合物变形蒙皮，其特征在于所述的形状记忆合金纤维(2)的材质为镍钛系形状记忆合金、铜镍系形状记忆合金、铜铝系形状记忆合金、铜锌系合金或铁系形状记忆合金。
4.根据权利要求1所述的一种形状记忆合金纤维与超弹体复合物变形蒙皮，其特征在于形状记忆合金纤维(2)的直径为0.25mm～10mm。
5.根据权利要求1所述的一种形状记忆合金纤维与超弹体复合物变形蒙皮，其特征在于形状记忆合金纤维(2)在超弹体基体(1)中的体积分数为5％～20％。
6.根据权利要求1所述的一种形状记忆合金纤维与超弹体复合物变形蒙皮，其特征在于通过热能激励实现形状记忆合金纤维(2)在马氏体相与奥氏体相之间转变。
7.根据权利要求6所述的一种形状记忆合金纤维与超弹体复合物变形蒙皮，其特征在于所述的热能激励为热场加热、磁场致热或电场加热。
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