CN114725648A - 一种可折叠-展开双向变形的柔性天线及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可折叠‑展开双向变形的柔性天线及其制备方法，其包括天线骨架和薄膜，所述天线骨架在工作温度激励下实现自折叠‑展开变形过程，所述天线骨架由橡胶基形状记忆合金复合材料制成，该天线的制备方法包括以下步骤：（ⅰ）形状记忆合金材料的选择；（ii）橡胶基形状记忆合金径向骨架和天线口径的制备及热变形处理；（iii）天线骨架的制备；（ⅳ）天线的制备；本发明应用橡胶的高弹性及形状记忆合金的形状记忆效应和驱动效应，通过工作环境温度的激励，实现柔性展开天线的自折叠‑展开双向变形，有效降低天线在复杂的太空环境中遇到太空垃圾、天外陨石的碰撞风险，其生产工艺简单、制作成本低，生产周期短，有必要推广。
Description
技术领域
本发明涉及航天技术、天线技术领域，尤其涉及空间柔性天线可展开机构领域，具体的说是一种可折叠-展开双向变形的柔性天线及其制备方法。
背景技术
近年来，随着世界各国对太空的探索不断深入，各种新材料、新工艺、新技术层出不穷，作为与地球联络通信的重要设施，空间可展开天线的需求也变得日趋迫切。同时，我国也在稳步开展太空探索：包括探月工程、火星探测工程、中国空间站建设等一系列太空探索。
由于航天发射器的有效空间和运载荷载能力有限，在发射阶段，空间可展开天线通常处于折叠状态，待到指定轨道后，再驱动展开进行工作。一方面，传统的刚性天线自重大，结构组成复杂，展开过程涉及传动机构繁琐，若操作不当，会产生传动机构卡位，无法正常展开工作风险；另一方面，基于先进智能复合材料的空间可展开天线虽然可以有效降低结构自重，减少结构复杂度，自驱动稳定展开。
然而，上述两种空间可展开天线仅可以实现折叠状态到展开状态的单程变形，无法实现展开状态到折叠状态的变化。若突遇太空垃圾，会有撞击风险，为尽可能降低碰撞风险，本发明提出一种由形状记忆合金复合材料制成，具有折叠-展开双向变形的柔性天线。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种可折叠-展开双向变形的柔性天线及其制备方法，该天线由形状记忆合金复合材料制成，具有折叠-展开双向变形的功能，其利用形状记忆合金材料优异的形状记忆效应和形状驱动性能，结合橡胶材料的高弹性特性制备而成，有效降低了空间展开天线在太空中遭遇太空垃圾时的碰撞风险。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种可折叠-展开双向变形的柔性天线，包括天线骨架和与所述天线骨架固定的薄膜，所述天线骨架在工作温度激励下实现自折叠-展开变形过程，所述自折叠-展开变形过程如下：当工作温度高于形状记忆合金奥氏结束温度时，天线骨架中的形状记忆合金材料SMA回复热变形处理的曲线型和花型状态，引起天线骨架带动薄膜向中心折叠；当工作温度降低至形状记忆合金马氏开始温度时，天线骨架中的橡胶基体的橡胶弹性回复力促使天线骨架带动薄膜向外展开，直至水平圆形状态。
本柔性天线的进一步改进在于：所述天线骨架由橡胶基形状记忆合金复合材料制成，所述天线骨架包括圆形设置的天线口径和直线形设置的径向骨架，所述形状记忆合金材料SMA丝分别置于矩形径向骨架的阴模、圆形天线口径的阴模，分别倒入橡胶材料室温固化24小时，固化成型橡胶基形状记忆合金复合材料。
本柔性天线的进一步改进在于：所述形状记忆合金材料的极限拉伸变形率>5%；奥氏相转变温度>0℃，初始形状为直线。
本柔性天线的进一步改进在于：所述天线骨架内设有弹性材料或/和导电材料。
本柔性天线的进一步改进在于：所述径向骨架的一端与天线口径固定，另一端嵌入基座内，所述径向骨架为两个以上，所述两个以上的径向骨架均匀分布在天线口径内。
本柔性天线的进一步改进在于：所述径向骨架的热处理弯曲变形位置至少为1个,所述径向骨架的热处理弯曲变形角度≥0且≤180。
本柔性天线的进一步改进在于：所述薄膜由聚酰亚胺材料制成。
本发明还提一种可折叠-展开双向变形的柔性天线的制备方法，包括以下步骤：（i）形状记忆合金材料的选择：调整形状记忆合金材料SMA的组分，获得极限拉伸变形率>5%；奥氏相转变温度>0℃，初始形状为直线的形状记忆合金材料；（ii）橡胶基形状记忆合金径向骨架和天线口径的制备及热变形处理：将步骤（i）中的SMA丝分别置于两个以上的矩形径向骨架阴模和圆形天线口径阴模内，分别倒入橡胶基体室温固化24小时，制得成型橡胶基形状记忆合金复合材料两个以上的径向骨架构件和天线口径构件；将制备的径向骨架构件和天线口径构件加热至高于形状记忆合金材料奥氏结束温度100℃以上，在指定位置对径向骨架构件和天线口径构件进行热变形处理至曲线型和花型状态，待温度降低至形状记忆合金马氏开始温度以下，形状记忆合金刚度显著下降，不足以维持热变形处理形状，在橡胶基体的弹性回复力作用下，回复至最初的直线型和圆形状态；（iii）天线骨架的制备：将步骤（ii）制得的径向骨架的一端与天线口径固定，另一端嵌入基座，使两个以上的径向骨架均匀分布在天线口径内；（ⅳ）天线的制备：将步骤（iii）制得的天线骨架与聚酰亚胺材料制作的柔性薄膜粘接固定。
本制备方法的进一步改进在于：所述步骤（i）中形状记忆合金材料SMA为丝、薄片。
本制备方法的进一步改进在于：所述步骤（ii）中，在固化时分别向矩形径向骨架阴模和圆形天线口径阴模内添加弹性材料或/和导电材料。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的有益效果是：
本发明结构简单、生产成本低、生产周期短，应用价值高。本发明应用橡胶材料的高弹性特性及形状记忆合金优异的形状记忆效应和驱动效应，通过工作环境温度的激励，实现空间柔性展开天线的自折叠-展开双向变形。
本发明制得的可折叠-展开双向变形的柔性天线与传统的刚性可展开天线相比，可有效降低自重，简化结构机械关节，可有效避免由于机械关节卡位导致的展开失败风险；与单程展开变形状态的智能复合材料的天线相比，本发明可实现空间展开天线的自折叠-展开双向变形，有效降低天线在复杂的太空环境中遇到太空垃圾、天外陨石的碰撞风险。其生产工艺简单，制作成本低，生产周期短，有大力推广的必要。
附图说明
图1是本发明展开状态俯视图；
图2是本发明折叠状态俯视图；
图3是本发明折叠状态剖视图；
图4是本发明径向骨架构件热变形前的结构示意图；
图5是本发明径向骨架构件热变形后的结构示意图；
图6是本发明天线口径构件热变形前的结构示意图；
图7是本发明天线口径构件热变形后的结构示意图；
图8是本发明天线骨架中形状记忆合金材料的相转变温度图。
其中，1、径向骨架；11、橡胶基体；12、形状记忆合金材料；1-1、第一骨架；1-2、第二骨架；1-3、第三骨架；1-4、第四骨架；2、天线口径；3、薄膜；4、基座。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：
一种可折叠-展开双向变形的柔性天线，如图1-7所示，其包括天线骨架和与所述天线骨架固定的薄膜3，所述薄膜3由柔性的聚酰亚胺材料制成。所述聚酰亚胺为一种特种工程材料，已广泛应用在航空、航天、微电子、纳米、液晶、分离膜、激光等领域，是主链上含有酰亚胺环（-CO-N-CO-）的一类聚合物，是综合性能最佳的有机高分子材料之一。其耐高温达400°C以上，长期使用温度范围-200～300°C无明显熔点，高绝缘性能。
所述天线骨架由橡胶基形状记忆合金复合材料制成，所述橡胶基形状记忆合金复合材料具有橡胶材料的高弹性特性和形状记忆合金材料12优异的形状记忆效应和驱动效应。形状记忆合金通常由两种或两种以上金属元素组成，当两种或两种以上金属元素按照特定的重量比组成，形状记忆合金就会有一个相转变温度（包括奥氏相转变温度和马氏相转变温度），可通过DSC曲线升温、降温曲线切线读取。通过调节各组成金属元素的重量比，可以调节组成的形状记忆合金材料的相转变温度。本实施例中形状记忆合金奥氏开始温度70.25℃、奥氏结束温度81.38℃、马氏开始温度为37.2℃、马氏结束温度25.34℃，如图8所示。
所述天线骨架利用橡胶材料的高弹性特性和形状记忆合金材料12优异的形状记忆效应和驱动效应，通过工作环境温度的激励，可实现空间柔性展开天线的自折叠-展开双向变形。
所述空间柔性展开天线的自折叠-展开变形过程由温度驱动，其自折叠-展开变形过程如下：当工作温度高于SMA奥氏结束温度时，径向骨架1和天线口径2中的形状记忆合金回复至高温热变形的曲线型和花型状态，引起天线骨架带动薄膜3的反射面向中心折叠如图2和图3所示；当温度降低至形状记忆合金马氏开始温度时，径向骨架1和天线口径2的橡胶弹性回复力促使天线骨架带动薄膜3的反射面向外展开，直至水平圆形状态如图1所示，也就是径向骨架1和天线口径2回复至初始的直线型和圆形。
如图1-3所示，所述天线骨架包括圆形设置的天线口径2和直线形设置的径向骨架1，所述径向骨架1和天线口径2均由橡胶基形状记忆合金复合材料制成。首先调节形状记忆合金材料12的材料组分，获得极限拉伸变形率>5%；奥氏相转变温度>0℃，初始形状为直线的形状记忆合金材料12。
将选择的形状记忆合金材料12丝置于矩形径向骨架1阴模、圆形天线口径2阴模，分别倒入橡胶材料室温固化24小时，固化成型橡胶基形状记忆合金复合材料的径向骨架1和天线口径2；借助设置预定义形状的曲线型径向骨架1、凹曲花型天线口径2的刚性模具，在热变形温度170℃环境下，将直线型形状记忆合金复合材料径向骨架1热变形为曲线型如图5所示；将圆形形状记忆合金复合材料天线口径2构件热变形为凹形花形如图7所示；当工作环境温度降低至温度20℃时，形状记忆合金复合材料的径向骨架1和天线口径2在橡胶基体的弹性回复力作用下，回复至初始直线型和圆形如图4和图6所示。
所述径向骨架1的一端与天线口径2固定，另一端嵌入基座4内，所述径向骨架1为两个以上，所述两个以上的径向骨架1均匀分布在天线口径2内，以四个径向骨架1为例详细说明，如图1-3所示，所述径向骨架1包括均匀分布在天线口径2内的第一骨架1-1、第二骨架1-2、第三骨架1-3和第四骨架1-4，所述第一骨架1-1、第二骨架1-2、第三骨架1-3和第四骨架1-4的一端与天线口径2固定，另一端嵌入基座4内。实验证明：当工作环境温度升高至110℃，并保持10min，径向骨架1和天线口径2中的SMA回复至热变形的曲线型和花形状态，引起薄膜3反射面向天线中心折叠如图2和图3所示；当温度降低至20℃时，并保持10min，径向骨架1和天线口径2中的SMA 丝处于马氏相，材料弹性模量低，在橡胶的弹性回复力作用下，径向肋骨架1和天线口径2回复至初始直线型和圆形，引起天线上薄膜3反射面展开成圆形平面如图1所示。
所述天线骨架内设有弹性材料，所述弹性材料为碳纤维薄板、薄刚片、弹簧等高弹性材料，以提高橡胶基体11的刚度，增强橡胶基体11的弹性恢复力。
所述天线骨架内设有导电材料，所述导电材料为碳纳米颗粒、碳纳米纸、短碳纤维丝、Ni粉、弹簧等，方便导电，以满足电驱动的要求，该天线骨架可采用直接的温度驱动或电驱动来实现折叠-展开双向变形。直接的温度驱动包括太阳光的照射、环境温度的升高等；电驱动就是天线骨架与电源连接，使温度升高以实现折叠-展开双向变形。
所述径向骨架1的热处理弯曲变形角度≥0且≤180，满足径向骨架1为直线或弯曲的要求，根据需要径向骨架1的热处理弯曲变形位置为一个，为有效降低天线口径2折叠后的口径张开度，径向骨架1的热处理弯曲变形位置可以为2个、3个或多个。
本发明还提供一种可折叠-展开双向变形的柔性天线的制备方法，其包括以下步骤：
（i）形状记忆合金材料12的选择：调节形状记忆合金材料12的组分，获得极限拉伸变形率>5%；奥氏相转变温度>0℃，初始形状为直线的形状记忆合金材料12；当形状记忆合金材料12的组分不同的时候，奥氏相转变温度和马氏相转变温度是不同的，当形状记忆合金材料12处于形状记忆合金马氏开始温度以下时材料较软，容易变形；当升温至形状记忆合金奥氏结束温度时，材料变硬。低于形状记忆合金马氏开始温度时的变形会随着温度升温高于奥氏结束温度时，逐渐恢复，若温度越高，恢复的速率就越快。所述形状记忆合金材料12最好为丝、薄片。
（ii）橡胶基形状记忆合金径向骨架1和天线口径2的制备及热变形处理：将步骤（i）中的形状记忆合金丝分别置于两个以上的矩形径向骨架1阴模和圆形天线口径2阴模内，分别倒入橡胶材料室温固化24小时，制得成型橡胶基形状记忆合金复合材料两个以上的径向骨架1构件和天线口径2构件；借助设置预定义形状的曲线型径向骨架1、凹曲花型天线口径2刚性模具，在高于形状记忆合金奥氏结束温度100℃以上时，将直线型形状记忆合金复合材料径向骨架1热变形为曲线型如图5所示；将圆形形状记忆合金复合材料天线口径2构件热变形为凹形花形如图7所示；当工作环境温度降低至形状记忆合金马氏开始温度以下时，形状记忆合金复合材料的径向骨架1构件和天线口径2构件在橡胶基体11的弹性回复力作用下，回复至初始直线型和圆形。
所述步骤（ii）中，在固化时分别向矩形径向骨架1阴模和圆形天线口径2阴模内添加高弹性材料，以提高橡胶基体11的刚度和增强橡胶基体11的弹性恢复力，所述高弹性材料可以为碳纤维薄板、薄刚片、弹簧等。
所述步骤（ii）中，在固化时分别向矩形径向骨架1阴模和圆形天线口径2阴模内添加导电材料，所述导电材料为碳纳米颗粒、碳纳米纸、短碳纤维丝、Ni粉、弹簧等，方便导电，以满足电驱动的要求。
（iii）天线骨架的制备：将步骤（ii）制得的径向骨架1的一端与天线口径2固定，另一端嵌入基座4，使两个以上的径向骨架1均与分布在天线口径2内即制得天线骨架，如图1-3所示。
（ⅳ）天线的制备：将步骤（iii）制得的天线骨架与聚酰亚胺材料制作的薄膜3粘接固定，天线制备完成。所述聚酰亚胺为一种特种工程材料，耐高温、且具有高绝缘性。当工作环境温度高于形状记忆合金奥氏结束温度，天线骨架中的形状记忆合金回复至热处理的曲线型和花形状态，引起薄膜3反射面向天线中心折叠；当温度降低至形状记忆合金马氏开始温度，天线骨架中的形状记忆合金丝处于马氏相，材料弹性模量低，在橡胶基体11的弹性回复力作用下，径向骨架1和天线口径2回复至初始的直线型和圆形，引起薄膜3反射面展开成圆形平面。
最后应该说明的是：上述实施例只是为清楚说明本发明而做的举例，绝非对实施方式的限定。对所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动，在此无法对所有的实施方式进行穷举，而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍属于本发明的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种可折叠-展开双向变形的柔性天线，其特征在于：包括天线骨架和与所述天线骨架固定的薄膜（3），所述天线骨架在工作温度激励下实现自折叠-展开变形过程，所述自折叠-展开变形过程如下：当工作温度高于形状记忆合金奥氏结束温度时，天线骨架中的形状记忆合金材料（12）SMA回复热变形的曲线型和花型状态，引起天线骨架带动薄膜（3）向中心折叠；当工作温度降低至形状记忆合金马氏开始温度时，天线骨架中的橡胶基体（11）的橡胶弹性回复力促使天线骨架带动薄膜（3）向外展开，直至水平圆形状态。
2.根据权利要求1所述的一种可折叠-展开双向变形的柔性天线，其特征在于：所述天线骨架由橡胶基形状记忆合金复合材料制成，所述天线骨架包括圆形设置的天线口径（2）和直线形设置的径向骨架（1），所述形状记忆合金材料（12）SMA丝分别置于矩形径向骨架（1）的阴模、圆形天线口径（2）的阴模，分别倒入橡胶材料室温固化24小时，固化成型橡胶基形状记忆合金复合材料。
3.根据权利要求2所述的一种可折叠-展开双向变形的柔性天线，其特征在于：所述形状记忆合金材料（12）的极限拉伸变形率>5%；奥氏相转变温度>0℃，初始形状为直线。
4.根据权利要求2所述的一种可折叠-展开双向变形的柔性天线，其特征在于：所述天线骨架内设有弹性材料或/和导电材料。
5.根据权利要求2所述的一种可折叠-展开双向变形的柔性天线，其特征在于：所述径向骨架（1）的一端与天线口径（2）固定，另一端嵌入基座（4）内，所述径向骨架（1）为两个以上，所述两个以上的径向骨架（1）均匀分布在天线口径（2）内。
6.根据权利要求5所述的一种可折叠-展开双向变形的柔性天线，其特征在于：所述径向骨架（1）的热处理弯曲变形位置至少为1个,所述径向骨架（1）的热处理弯曲变形角度≥0且≤180。
7.根据权利要求1所述的一种可折叠-展开双向变形的柔性天线 ，其特征在于：所述薄膜（3）由聚酰亚胺材料制成。
8.如权利要求1-7任一项所述的可折叠-展开双向变形的柔性天线的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
（ⅰ）形状记忆合金材料（12）的选择：调整形状记忆合金材料(12)SMA的组分，获得极限拉伸变形率>5%；奥氏相转变温度>0℃，初始形状为直线的形状记忆合金材料(12)；
（ⅱ）橡胶基形状记忆合金径向骨架（1）和天线口径（2）的制备及热变形处理:将步骤（i）中的SMA丝分别置于两个以上的矩形径向骨架（1）阴模和圆形天线口径（2）阴模内，分别倒入橡胶基体(11)室温固化24小时，制得成型橡胶基形状记忆合金复合材料两个以上的径向骨架（1）构件和天线口径（2）构件；
将制备的径向骨架（1）构件和天线口径（2）构件加热至高于形状记忆合金材料（12）奥氏结束温度100℃以上，在指定位置对径向骨架（1）构件和天线口径（2）构件进行热变形处理至曲线型和花型状态，待温度降低至形状记忆合金（12）马氏开始温度以下，形状记忆合金（12）刚度显著下降，不足以维持热变形处理形状，在橡胶基体的弹性回复力作用下，回复至最初的直线型和圆形状态；
（ⅲ）天线骨架的制备：将步骤（ⅱ）制得的径向骨架（1）的一端与天线口径（2）固定，另一端嵌入基座（4），使两个以上的径向骨架（1）均匀分布在天线口径（2）内；
（ⅳ）天线的制备：将步骤（ⅲ）制得的天线骨架与聚酰亚胺材料制作的柔性薄膜（3）粘接固定。
9.根据权利要求8所述的一种可折叠-展开双向变形的柔性天线的制备方法，其特征在于：所述步骤（ⅰ）中形状记忆合金材料（12）SMA为丝、薄片。
10.根据权利要求8所述的一种可折叠-展开双向变形的柔性天线的制备方法，其特征在于：所述步骤（ii）中，在固化时分别向矩形径向骨架（1）阴模和圆形天线口径（2）阴模内添加弹性材料或/和导电材料。
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