CN109096699B - 一种电驱动形状记忆聚合物复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种电驱动形状记忆聚合物复合材料及其制备方法，涉及智能材料领域。本发明针对目前形状记忆聚合物材料驱动方式稳定性差的问题，以玻璃纤维为内芯，将电热丝螺旋缠绕在内芯上，然后包覆绝缘层，获得电驱动单元；以电驱动单元和增强纤维为增强相，以形状记忆聚合物为基底，经成型工艺制得电驱动形状记忆复合材料。所述电驱动形状记忆聚合物复合材料在电驱动下可展开为平面形或螺旋形。本发明适用于形状记忆功能材料的开发与生产。

Description

一种电驱动形状记忆聚合物复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及智能材料领域，具体涉及一种电驱动形状记忆聚合物复合材料及其制备方法。

技术背景

形状记忆聚合物作为典型的智能材料之一，通过在特定条件下的加工程序赋予其一定的形变，随后在外界的刺激下具有恢复原始形状的能力，其中外界的刺激主要包括：热、光、磁场、溶液等，其中具有热刺激响应性的形状记忆材料由于刺激条件简单易得，自从形状记忆聚合物出现以来便得到了最深入的研究。然而结构均一的形状记忆聚合物具有刚度差、回复力低、导电性差等特点。因此，近年来的研究重点也转向了形状记忆复合材料，其填充材料可以包括炭黑、碳纳米管、金属氧化物颗粒、碳化硅颗粒等颗粒填充物和碳纤维、玻璃纤维等纤维填充物。填充物的存在也赋予了形状记忆复合材料在空间可展开结构、变体飞行器蒙皮等方面的应用。目前热响应的形状记忆聚合物复合材料的驱动方法主要是利用在材料表面粘贴电热膜，利用电热膜发出的热量，通过热传导的方法使形状记忆复合材料加热，进而在热刺激的作用下发生响应变形。然而这种方法的缺点主要在于通过粘贴的方法连接电热膜和形状记忆复合材料时对胶黏剂的要求较高，例如在高低温循环、真空等极端环境下电热膜非常容易发生脱胶、鼓泡导致形状记忆复合材料表面热量分布不均匀，从而造成复合材料内部结构发生缺陷、断裂而导致复合材料回复率降低，甚至是电热膜表面温度分布不均匀导致电热膜被熔断，最终导致形状记忆复合材料整体形状回复失败的结果。另外，目前所使用的电热膜是一种聚酰亚胺封装的平面结构，粘贴到变形结构上之后，随材料的变形发生拉伸和压缩的变形，但由于电热膜本身并不具有可拉伸-压缩变形的能力，因此在变形之后非常容易导致电热膜的断路而导致形状记忆聚合物形状回复失败。

发明内容

针对目前形状记忆聚合物材料驱动方式稳定性差的问题，本发明提供了一种电驱动形状记忆聚合物复合材料及其制备方法。

电驱动形状记忆聚合物复合材料是由电驱动单元、形状记忆聚合物和增强纤维制成；所述电驱动单元由玻璃纤维、电热丝和绝缘层组成，所述玻璃纤维上缠绕有电热丝，电热丝外包覆有绝缘层。

进一步地，所述增强纤维在电驱动形状记忆聚合物复合材料中的体积含量为50％-80％。

进一步地，所述形状记忆聚合物为形状记忆环氧树脂、氰酸酯、聚降冰片烯、苯乙烯/丁二烯共聚物、反式1,4-聚异戊二烯、交联聚乙烯或乙烯/醋酸乙烯共聚物；所述增强纤维为碳纤维、玻璃纤维、芳香族聚酰胺纤维、芳香族聚酯纤维、高强度聚烯烃纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维或金属纤维。

进一步地，所述电驱动单元中电热丝的材料为铜、铁铬铝合金或镍铬合金；绝缘层材料为硅胶、聚氯乙烯、聚乙烯、交联聚乙烯或聚酰亚胺；所述玻璃纤维的直径为0.5mm，缠绕电热丝和绝缘层后的电驱动单元的直径为0.8mm-1.0mm，内阻为5-10Ω/m。

优选地，所述玻璃纤维上螺旋缠绕有电热丝。

本发明还提供了上述电驱动形状记忆复合材料的制备方法：以电驱动单元和增强纤维为增强相，以形状记忆聚合物为基底，经成型工艺制得电驱动形状记忆聚合物复合材料。

进一步地，所述成型工艺为真空袋法、模压法、灌注法或缠绕法。

进一步地，所述的电驱动形状记忆聚合物复合材料的制备方法，可采取如下步骤：

1)以玻璃纤维为内芯，将电热丝缠绕在内芯上，然后包覆绝缘层，获得电驱动单元；

2)将电驱动单元铺设在增强纤维上，获得带有电驱动单元的纤维层；

3)将带有电驱动单元的纤维层与形状记忆聚合物加入到模具中，经成型工艺制得电驱动形状记忆聚合物复合材料。

进一步地，所述的电驱动形状记忆聚合物复合材料的制备方法，还可采取如下步骤：

1)以玻璃纤维为内芯，将电热丝缠绕在内芯上，然后包覆绝缘层，获得电驱动单元；

2)将增强纤维缠绕在电驱动单元上；

3)然后固定到模具中，再加入形状记忆聚合物，经成型工艺制得电驱动形状记忆聚合物复合材料；

或者：

2)将增强纤维预浸在形状记忆聚合物中，获得连续纤维增强的形状记忆预浸料；

3)然后将连续纤维增强的形状记忆预浸料缠绕在电驱动单元上并加入到模具中，经成型工艺制得电驱动形状记忆聚合物复合材料。

本发明所述的电驱动形状记忆聚合物复合材料在电驱动下可产生形变，如在电驱动下其结构可展开为平面型或螺旋形。

本发明所述的电驱动形状记忆复合材料在使用过程中的电压、电流、功率等参数可以和展开速率相匹配。

有益效果

与现有技术相比，本发明提供的电驱动形状记忆聚合物复合材料的制备方法具有如下优点：

1.本发明采用的螺旋电热丝的螺旋结构在变形状态下具有可拉伸性，更好的匹配材料的变形性；螺旋电热丝直径小，对复合材料内部结构影响小的特点，可以保证复合材料在变形条件下电驱动单元电气性能的稳定性。

2.本发明的技术方案成本低、制备方法简单、性能稳定、可重复性强、适合批量生产。

3.本发明采用的驱动方式具有电热丝结构可调，容易适应形状记忆复合材料大变形的结构的优点，避免了传统在形状记忆复合材料外侧粘贴加热膜方法容易脱层而导致热量分散不均匀，从而造成复合材料结构损伤、甚至电热膜因局部热量集中而烧毁的可能。

4.本发明采用的绝缘层具有耐300℃高温、保证形状记忆复合材料在驱动温度下的稳定性的特点，另外，由于自身厚度薄的特点最大限度的减少了对复合材料结构的影响。

5.本发明所述的电路结构具有可设计性，能够适应形状记忆大变形结构，对变形过程中的材料稳定性影响小，采用的电热线排列方式可调，具有容易和结构变形状态相匹配的特点。

6.本发明所述的电驱动形状记忆聚合物复合材料结构的展开速率、展开程度可以根据对电热丝施加的电压调整，从而实现对复合材料结构的可控性展开。

附图说明

图1聚酰亚胺螺旋电热丝结构示意图，1-电热丝，2-玻璃纤维，3-聚酰亚胺绝缘层。

图2电驱动形状记忆聚合物复合材料展开过程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做详细的说明，但是本发明的保护范围并不局限于以下实施例。

实施例1：电驱动形状记忆环氧树脂基复合材料的制备方法。

1、以直径为0.5mm的玻璃纤维为内芯，将电热丝均匀螺旋缠绕在玻璃纤维内芯上，得到螺旋电热丝，然后经过绕包机包覆2-3层聚酰亚胺薄膜制备成聚酰亚胺包覆的螺旋电热线，即，电驱动单元聚酰亚胺绕包线，如图1中(a)所示，所述聚酰亚胺螺旋电热丝直径为0.8mm，内阻为10Ω/m。

2、将聚酰亚胺绕包线以蛇形排列的方式固定在边长为100×200mm的2层碳纤维铺层表面，如图1中(b)所示，其中，电热丝相互之间的间距不小于5mm；继续在聚酰亚胺螺旋电热丝的上侧进行2层碳纤维铺层，达到目标层数4层。

3、将铺有聚酰亚胺螺旋电热丝的纤维铺层固定在2mm厚的平面型模具上，采用灌注法的复合材料制备工艺将环氧树脂灌注至制备好的模具中，所述环氧树脂用量需控制其既能浸没碳纤维，又不溢出模具之间，本实施例中的具体用量为40mL。环氧树脂基复合材料进行热固化处理，经过脱模、切割后得到平板结构的电驱动形状记忆聚合物复合材料，所述碳纤维在复合材料中的体积含量为60％。

将平板结构的电驱动形状记忆聚合物复合材料通过热压的工艺制备成U型的复合材料可展开结构，在通电18.7V、35W的电驱动工况下可以驱动复合材料结构展开，如图2所示。

实施例2：电驱动形状记忆氰酸酯基复合材料的制备方法。

1、以直径为0.5mm的玻璃纤维为内芯，将电热丝均匀螺旋缠绕在玻璃纤维内芯上，然后经过绕包机包覆2-3层聚酰亚胺薄膜制备成聚酰亚胺包覆的螺旋电热线，即，电驱动单元聚酰亚胺绕包线，所述聚酰亚胺螺旋电热丝直径为0.8mm，内阻为10Ω/m。

2、将聚酰亚胺绕包线以蛇形排列的方式固定在边长为100×200mm的2层碳纤维铺层表面，其中电热丝相互之间的间距不小于5mm；继续在聚酰亚胺螺旋电热丝的上侧进行2层碳纤维铺层，达到目标层数4层。

3、将铺有聚酰亚胺螺旋电热丝的纤维铺层固定在模具上，将形状记忆氰酸酯树脂用油浴加热至150℃以上，采用灌注法的复合材料制备工艺将氰酸酯灌注至制备好的模具中，所述氰酸酯用量需控制在既能浸没碳纤维，又不溢出模具之间，本实施例中的具体用量为40mL。对氰酸酯基复合材料进行热固化处理，经过脱模、切割后得到平板结构的电驱动形状记忆聚合物复合材料，所述碳纤维在复合材料中的体积含量为60％。

将平板结构的电驱动形状记忆聚合物复合材料通过热压的工艺制备成U型的复合材料可展开结构，在通电22.3V、50W的电驱动工况下可以驱动复合材料结构展开。

实施例3：电驱动形状记忆环氧树脂预浸料复合材料的制备方法。

1、以直径为0.5mm的玻璃纤维为内芯，将电热丝均匀螺旋缠绕在玻璃纤维内芯上，然后经过绕包机包覆2-3层聚酰亚胺薄膜制备成聚酰亚胺包覆的螺旋电热线，即，电驱动单元聚酰亚胺绕包线，所述聚酰亚胺螺旋电热丝直径为0.8mm，内阻为10Ω/m。

2、将聚酰亚胺绕包线以蛇形排列的方式固定在边长为100×200mm的2层环氧树脂基碳纤维预浸料片层之上，所述预浸料中碳纤维与环氧树脂的质量比例为3:1其中电热丝相互之间的间距不小于5mm；继续在聚酰亚胺螺旋电热丝的上侧铺上2层环氧树脂基碳纤维预浸料片层，达到目标层数4层。

3、将铺有聚酰亚胺螺旋电热丝的环氧树脂基碳纤维铺层固定在模具上，通过模压成型的方式将环氧树脂基碳纤维复合材料按照相应的热固化工艺固化，经过脱模、切割后得到平板结构的电驱动形状记忆聚合物复合材料。

将平板结构的电驱动形状记忆聚合物复合材料通过热压的工艺制备成U型的复合材料可展开结构，在通电14.1V、20W的电驱动工况下可以驱动复合材料结构展开。

实施例4：电驱动形状记忆环氧树脂基短切碳纤维复合材料的制备方法。

1、以直径为0.5mm的玻璃纤维为内芯，将电热丝均匀螺旋缠绕在玻璃纤维内芯上，然后经过绕包机包覆2-3层聚酰亚胺薄膜制备成聚酰亚胺包覆的螺旋电热线，即，电驱动单元聚酰亚胺绕包线，所述聚酰亚胺螺旋电热丝直径为0.8mm，内阻为5Ω/m。

2、将短切碳纤维用超声分散的方法使短切纤维在20mL形状记忆环氧树脂中分散均匀，所述短切碳纤维用量控制其在环氧树脂中的体积含量为60％。

3、将聚酰亚胺螺旋电热丝串入2mm内径的硅胶管中，使用注射器抽取10mL已经均匀分散碳纤维的形状记忆环氧树脂，利用止血钳固定硅胶管和注射器针头，将分散均匀碳纤维的形状记忆环氧树脂注入到硅胶管中，利用扎带将硅胶管的两端封口，将硅胶管缠绕在弹簧结构的模具上，再利用扎带将两端固定得到弹簧结构的模具。将制备好的弹簧模具在相应的环氧树脂固化条件下完成固化，经过脱模剥离外层硅胶管后得到电驱动形状记忆环氧树脂碳纤维复合弹簧，经过切割工艺后控制弹簧长度为40mm。

将电驱动形状记忆环氧树脂碳纤维复合弹簧加热至相应环氧树脂转变温度之上，将弹簧压缩至收拢状态，随后再降温将弹簧的形状固定在总长度为20mm。在通电6W，5.5V的电驱动工况下可以驱动弹簧结构展开。

实施例5：电驱动形状记忆环氧树脂基长碳纤维复合材料的制备方法。

1、以直径为0.5mm的玻璃纤维为内芯，将电热丝均匀螺旋缠绕在玻璃纤维内芯上，然后经过绕包机包覆2-3层聚酰亚胺薄膜制备成聚酰亚胺包覆的螺旋电热线，即，电驱动单元聚酰亚胺绕包线，所述聚酰亚胺螺旋电热丝直径为0.8mm，内阻为5Ω/m。

2、以聚酰亚胺螺旋电热丝为内芯将3K长碳纤维经过缠绕机均匀缠绕在上，得到直径为1.8mm的长纤维结构。

3、将缠绕长碳纤维的螺旋电热丝串入2mm内径的硅胶管中，将注射器针头插入硅胶管中，利用止血钳固定硅胶管和注射器针头，将形状记忆环氧树脂注入到硅胶管中，利用扎带将硅胶管的两端封口，将硅胶管缠绕在弹簧结构的模具上，再利用扎带将两端固定得到弹簧结构的模具。将制备好的弹簧模具在相应的环氧树脂固化条件下完成固化，经过脱模剥离外层硅胶管后得到电驱动形状记忆环氧树脂碳纤维复合弹簧，经过切割工艺后控制弹簧长度为40mm，所述长碳纤维在复合材料中的体积含量为65％。

将电驱动形状记忆环氧树脂碳纤维复合弹簧加热至相应环氧树脂转变温度之上，将弹簧压缩至收拢状态，随后再降温将弹簧的形状固定在总长度为20mm。在通电6W，5.5V的电驱动工况下可以驱动弹簧结构展开。

Claims (8)

1.一种电驱动形状记忆聚合物复合材料，其特征在于，是由电驱动单元、形状记忆聚合物和增强纤维制成；所述电驱动单元由玻璃纤维、电热丝和绝缘层组成，所述玻璃纤维上螺旋缠绕有电热丝，电热丝外包覆有绝缘层。

2.根据权利要求1所述的电驱动形状记忆聚合物复合材料，其特征在于，所述增强纤维在电驱动形状记忆聚合物复合材料中的体积含量为50％-80％。

3.根据权利要求1所述的电驱动形状记忆聚合物复合材料，其特征在于，所述形状记忆聚合物为形状记忆环氧树脂、氰酸酯、聚降冰片烯、苯乙烯/丁二烯共聚物、反式1,4-聚异戊二烯、交联聚乙烯或乙烯/醋酸乙烯共聚物；所述增强纤维为碳纤维、玻璃纤维、芳香族聚酰胺纤维、芳香族聚酯纤维、高强度聚烯烃纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维或金属纤维。

4.根据权利要求1所述的电驱动形状记忆聚合物复合材料，其特征在于，所述电驱动单元中电热丝的材料为铜、铁铬铝合金或镍铬合金；绝缘层材料为硅胶、聚氯乙烯、聚乙烯、交联聚乙烯或聚酰亚胺；所述玻璃纤维的直径为0.5mm，缠绕电热丝和绝缘层后的电驱动单元的直径为0.8mm-1.0mm，内阻为5-10Ω/m。

5.权利要求1-4任意一项所述的电驱动形状记忆聚合物 复合材料的制备方法，其特征在于，以电驱动单元和增强纤维为增强相，以形状记忆聚合物为基底，经成型工艺制得电驱动形状记忆聚合物复合材料。

6.根据权利要求5所述的电驱动形状记忆聚合物复合材料的制备方法，其特征在于，所述成型工艺为真空袋法、模压法、灌注法或缠绕法。

7.根据权利要求6所述的电驱动形状记忆聚合物复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)以玻璃纤维为内芯，将电热丝缠绕在内芯上，然后包覆绝缘层，获得电驱动单元；

2)将电驱动单元铺设在增强纤维上，获得带有电驱动单元的纤维层；

3)将带有电驱动单元的纤维层与形状记忆聚合物加入到模具中，经成型工艺制得电驱动形状记忆聚合物复合材料。

8.根据权利要求6所述的电驱动形状记忆聚合物复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)以玻璃纤维为内芯，将电热丝缠绕在内芯上，然后包覆绝缘层，获得电驱动单元；

2)将增强纤维缠绕在电驱动单元上；

3)然后固定到模具中，再加入形状记忆聚合物，经成型工艺制得电驱动形状记忆聚合物复合材料；

或者：

2)将增强纤维预浸在形状记忆聚合物中，获得连续纤维增强的形状记忆预浸料；

3)然后将连续纤维增强的形状记忆预浸料缠绕在电驱动单元上并加入到模具中，经成型工艺制得电驱动形状记忆聚合物复合材料。

Images