CN105804960A - 一种形状记忆复合材料驱动机构的制备方法 - Google Patents

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米绪军
尹向前
解浩峰
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Abstract

本发明涉及一种形状记忆复合材料驱动机构的制备方法。按照驱动机构设计结构，将经表面处理后的形状记忆合金沿主施力方向铺设，并处于变形过程中产生较大拉应力的一侧；然后通过聚合物基复合材料的制备方法将形状记忆合金与形状记忆聚合物复合，得到形状记忆合金/形状记忆聚合物复合材料驱动机构的固定形状；将驱动机构在形状记忆聚合物驱动温度以上变形，冷却至驱动温度以下后固定，得到驱动机构的临时形状；使用时，将驱动机构升温至形状记忆聚合物驱动温度以上，即发生形状回复，实现驱动功能。本发明形状记忆复合材料驱动机构质轻、加工成型简单、振动小，并且驱动力大、力学承载能力提高，因此应用前景非常广阔。

Description

一种形状记忆复合材料驱动机构的制备方法
技术领域
本发明涉及一种形状记忆复合材料驱动机构的制备方法，特别涉及一种形状记忆合金/形状记忆聚合物复合材料驱动机构的制备方法。
背景技术
形状记忆材料是指具有某一原始形状的制品，经过形变并固定后，在特定的外界条件(如热、化学、机械、光或电等外加刺激)下能自动回复到初始形状的一类材料。形状记忆材料通常可分为三大类，分别是形状记忆合金、形状记忆聚合物和形状记忆陶瓷。其中，形状记忆合金和形状记忆聚合物得到了极大的关注和发展。
形状记忆聚合物具有质轻、可恢复应变大，成型简单等优点，但它存在模量、强度等力学性能差，变形回复输出力小和运动稳定、可靠性差的缺点；另一方面，形状记忆合金具有较高的力学和热力学性能，变形回复输出力大的特性，但是形状记忆合金密度大，成型工艺复杂。
将具有较大变形回复力的形状记忆合金埋入可恢复应变大的形状记忆聚合物中制备的复合材料，集两者的优势为一身；与形状记忆合金相比，形状记忆合金/形状记忆聚合物复合材料质轻、成型工艺简单、易成型复杂结构，同时其展开速率可控、振动小，从而可提高变形结构的稳定性。与形状记忆聚合物相比，形状记忆合金的加入可以显著提高变形回复力，还可以提高聚合物基体在高温条件下的刚度和强度，从而提高驱动机构的力学承载能力。与形状记忆合金/非形状记忆聚合物复合材料相比，形状记忆聚合物基体在开关温度前后模量变化更显著，其形变抗力小、易定型，同时由于基体自身具有形状记忆特性，可实现形状回复的精确控制。因此，采用形状记忆合金/形状记忆聚合物复合材料制备的驱动机构可以推动主动展开结构、远程控制机构和多功能微机械系统等领域的发展。
形状记忆合金/形状记忆聚合物复合材料驱动机构的制备不同于普通的聚合物基复合材料的制备，还需要考虑形状记忆合金与形状记忆聚合物的形状记忆耦合关系，只有当两者的形状记忆性能匹配时，才能发挥出复合材料的性能。
发明内容
为了优化驱动特性，本发明提出一种形状记忆合金/形状记忆聚合物复合材料驱动机构的制备方法。
一种形状记忆合金/形状记忆聚合物复合材料驱动机构的制备方法，包括如下步骤：按照驱动机构设计结构，将经表面处理后的形状记忆合金沿主施力方向铺设，并处于变形过程中产生较大拉应力的一侧；然后通过聚合物基复合材料的制备方法将形状记忆合金与形状记忆聚合物复合，得到形状记忆合金/形状记忆聚合物复合材料驱动机构的固定形状；将驱动机构在形状记忆聚合物基体驱动温度(转变温度)以上变形，冷却至驱动温度以下后固定，得到驱动机构的临时形状；使用时，将驱动机构升温至形状记忆聚合物基体驱动温度以上，即发生形状回复，实现驱动功能。
本发明所述的形状记忆合金材料包括，但不限于，钛-镍基合金、铟-钛基合金、镍-铝基合金、铜基合金(如铜-镍合金、铜-铝合金、铜-锌合金以及铜-锡合金等)、铁基合金(如铁-铂合金和铁-钯合金等)等。
本发明所述的形状记忆合金材料的形态包括，但不限于，线、箔、片、板等。
本发明所述的形状记忆聚合物包括，但不限于，形状记忆环氧树脂体系、形状记忆苯乙烯共聚物、形状记忆苯乙烯-丁二烯共聚物、形状记忆聚降冰片烯、形状记忆氰酸酯或形状记忆聚氨酯系等。
本发明所述的形状记忆聚合物基体驱动温度低于形状记忆合金的驱动温度，优选地，两者的驱动温度温差在10-50℃之间为宜。
本发明所述的形状记忆合金材料的表面处理方法包括，但不限于，喷砂、化学腐蚀、聚合物涂覆、偶联剂处理及等离子技术等。
本发明所述的聚合物基复合材料(树脂基复合材料)的制备方法包括，但不限于，手糊成型、模压成型、缠绕成型、喷射成型、袋压法成型、真空袋-热压罐法成型、热压罐法成型、液压釜法成型、热膨胀塑法成型、层压及卷管成型、拉挤成型、连续缠管、连续制板等。
本发明驱动机构的设计结构中，驱动机构的形状可为“I”型、“U”型和“S”型等。
本发明中，形状记忆合金被包覆在形状记忆聚合物中，而且形状记忆合金材料设计在复合材料的主承力方向和驱动方向，并处于复合材料变形过程中产生较大拉应力的一侧，以便形状记忆合金产生较大的变形，回复过程可产生更大的回复力。将驱动机构在形状记忆聚合物驱动温度以上变形，冷却至转变温度以下后固定，得到驱动机构的临时形状；使用时，将驱动机构升温至形状记忆聚合物基体驱动温度以上，即发生形状回复，实现驱动功能。
本发明相对于形状记忆合金驱动机构，质轻、加工成型简单、振动小；相对于形状记忆聚合物驱动机构，驱动力大、力学承载能力提高。因此形状记忆合金/形状记忆聚合材料驱动机构的应用前景非常广阔，如航空工业、海洋工业、汽车工业、建筑业、石油化工工业、电子工业、体育用品以及军事领域等。
附图说明
图1是形状记忆合金丝/形状记忆聚合物复合成“I”型。
图2是形状记忆合金丝/形状记忆聚合物复合成“U”型。
主要附图标记：
1TiNi合金丝2形状记忆环氧树脂
具体实施方式
以下通过具体实例对本发明的技术方案作进一步描述，但并不意味着对本发明保护范围的限制。
实施例1：
设计驱动机构的固定形状为“I”型，尺寸为100mm×20mm×3mm，如图1所示。其制备过程如下：将直径为0.4mm的TiNi合金丝1经硅烷偶联剂KH560处理后，平行沿轴向固定在距模具底部1mm处，然后通过模压成型法将TiNi合金丝1与形状记忆环氧树脂2复合，复合材料中，TiNi合金丝1的体积分数为1％。TiNi合金丝1的驱动温度为70℃，形状记忆环氧树脂2的驱动温度为42℃。将驱动机构升温至65℃保温2min后沿轴向卷曲，冷却至30℃固定形状，得到驱动机构的临时形状“U”型，如图2所示，形状固定率达100％，此时TiNi合金丝1处于拉应力较大的一侧，即“U”型外侧。再次将驱动机构加热至75℃并释放，驱动机构平稳回复至固定形状“I”型，形状回复率达100％。该驱动机构的回复力比同尺寸形状记忆环氧树脂2制成的驱动机构提高了近3倍。
实施例2：
本实施方式与实施例1不同点在于形状记忆合金材料为TiNi合金薄带，TiNi合金薄带尺寸为100mm×20mm×0.3mm，占复合材料体积分数为1.5％，该驱动机构的回复力比同尺寸形状记忆环氧树脂制成的驱动机构提高了近5倍。
实施例3：
设计驱动机构的固定形状为“I”型，尺寸为100mm×20mm×3mm，其制备过程如下：将采用硅烷偶联剂涂覆后的CuAlMn薄带(尺寸为100mm×20mm×0.3mm)置于尺寸分别为100mm×20mm×1.8mm和100mm×20mm×0.8mm的形状记忆聚氨酯片层之间，采用层压法将其复合，得到复合材料。CuAlMn薄带的驱动温度为65℃，形状记忆聚氨酯的驱动温度为35℃。将驱动机构升温至60℃保温2min后卷曲，冷却至25℃固定形状，得到驱动机构的临时形状“S”型。再次将驱动机构加热到70℃并释放，驱动机构平稳回复至固定形状“I”型。该驱动机构的回复力比同尺寸形状记忆聚氨酯制成的驱动机构提高了近2倍。

Claims (9)

1.一种形状记忆合金/形状记忆聚合物复合材料驱动机构的制备方法，包括如下步骤：按照驱动机构设计结构，将经表面处理后的形状记忆合金沿主施力方向铺设，并处于变形过程中产生较大拉应力的一侧；然后通过聚合物基复合材料的制备方法将形状记忆合金与形状记忆聚合物复合，得到形状记忆合金/形状记忆聚合物复合材料驱动机构的固定形状；将驱动机构在形状记忆聚合物驱动温度以上变形，冷却至驱动温度以下后固定，得到驱动机构的临时形状；使用时，将驱动机构升温至形状记忆聚合物驱动温度以上，即发生形状回复，实现驱动功能。
2.根据权利要求1所述的形状记忆合金/形状记忆聚合物复合材料驱动机构的制备方法，其特征在于：所述的形状记忆合金包括钛-镍基合金、铟-钛基合金、镍-铝基合金、铜基合金和铁基合金。
3.根据权利要求1所述的形状记忆合金/形状记忆聚合物复合材料驱动机构的制备方法，其特征在于：所述的形状记忆合金材料的形态包括线、箔、片和板。
4.根据权利要求1所述的形状记忆合金/形状记忆聚合物复合材料驱动机构的制备方法，其特征在于：所述的形状记忆聚合物包括形状记忆环氧树脂体系、形状记忆苯乙烯共聚物、形状记忆苯乙烯-丁二烯共聚物、形状记忆聚降冰片烯、形状记忆氰酸酯和形状记忆聚氨酯系。
5.根据权利要求1所述的形状记忆合金/形状记忆聚合物复合材料驱动机构的制备方法，其特征在于：所述的形状记忆聚合物的驱动温度低于形状记忆合金的驱动温度。
6.根据权利要求1所述的形状记忆合金/形状记忆聚合物复合材料驱动机构的制备方法，其特征在于：所述的形状记忆聚合物与形状记忆合金的驱动温度温差为10-50℃。
7.根据权利要求1所述的形状记忆合金/形状记忆聚合物复合材料驱动机构的制备方法，其特征在于：所述的形状记忆合金的表面处理方法包括喷砂、化学腐蚀、聚合物涂覆、偶联剂处理和等离子技术。
8.根据权利要求1所述的形状记忆合金/形状记忆聚合物复合材料驱动机构的制备方法，其特征在于：所述的聚合物基复合材料的制备方法包括手糊成型、模压成型、缠绕成型、喷射成型、袋压法成型、真空袋-热压罐法成型、热压罐法成型、液压釜法成型、热膨胀塑法成型、层压及卷管成型、拉挤成型、连续缠管和连续制板。
9.根据权利要求1所述的形状记忆合金/形状记忆聚合物复合材料驱动机构的制备方法，其特征在于：所述的驱动机构的形状为“I”型、“U”型和“S”型。
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