CN114801356A - 碳纤维增强smp双稳态复合材料层合板制备及驱动方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳纤维增强SMP双稳态复合材料层合板制备及驱动方法。制备方法包括：自上而下依次叠合铺设获得叠合材料层；固化加热定型获得SMP固定相和材料层；改变形状获得临时形状的SMP双稳态复合材料层合板；驱动方法包括：将SMP双稳态复合材料层合板的形状记忆SMP板加热到Tg温度，产生形状恢复力，逐渐带动SMP双稳态复合材料层合板由临时形状恢复为初始形状，完成驱动变形过程。本发明解决了目前的双稳态层合板使用的驱动方式多为接触式，限制材料应用的问题，由于本发明层合板结构本身具有双稳态特性，并且SMP板增强了刚度，可改变并保持曲率防止扭曲，实现了交替驱动，使得本发明具有更高的应用性。
Description
技术领域
本发明涉及了一种双稳态复合材料层合板的制备方法，属于空间结构材料设计技术领域，具体涉及一种碳纤维增强SMP双稳态复合材料层合板制备及驱动方法。
背景技术
在目前航空航天领域里许多结构对质量、大小等都有特定的要求，例如可展开太阳翼、桁架、可部署天线、铰链、豆荚杆等。这些结构一般具备轻质、高强度、高韧性、高稳定性、可展开、制造工艺简单等优点。正交或者反对称铺设成的层合板完全符合上述要求，其具有两种稳态形状，在两种稳态状态下均带有一定的曲率，且具有高稳定性，不易变形。这种结构简单、制备方便、成本低、展开速度快，在航空航天领域、软体机器人领域、汽车领域等都已有较多应用。
双稳态碳纤维复合材料层合板在原有的一些基础上，现在已拥有多种制备方法、不同的树脂基体制成的层合板拥有不同的力学性能、质量和体积。对于驱动方式，也有了许多中驱动方式，例如气动、可控性磁驱动、压点驱动等，这些驱动方式都有共同的一个特点，即产生一定的驱动力来触发该结构的变形。双稳态结构由于无需外力的情况下又有两种稳定稳定状态，且产生大变形时需要的能量不高。此外还有高空间利用率等优点，使其在许多领域都有应用，包括航空航天、仿生结构(捕蝇器、仿生花瓣柔性抓手)、能量收集等领域。
但目前该结构的驱动方式多为接触式，且较难实现反对称结构的驱动，且在常温下已经制备出的双稳态复合材料在无接触驱动时较难实现曲率改变，大大限制了这种结构的一些应用范围。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明所提供一种碳纤维增强SMP双稳态复合材料层合板制备及驱动方法。本发明的目的是为了通过对结构加热到Tg温度进行赋形并冷却，可改变稳态的曲率，再次加热便可以驱动该结构恢复为初始形状，且恢复力大，会使该结构从平面弹起。
本发明采用的技术方案是：
一种碳纤维增强SMP双稳态复合材料层合板的制备方法包括如下步骤：
步骤一：制备一层形状记忆SMP板和2X层碳纤维树脂基复合材料层，将X层碳纤维树脂基复合材料层叠合铺设为一层叠合材料上层，将另外X层碳纤维树脂基复合材料层叠合铺设为一层叠合材料下层，将一层形状记忆SMP板作为叠合材料中层，自上而下依次叠合铺设叠合材料上层、叠合材料中层和叠合材料下层，获得一层具有形状记忆效应的叠合材料层；其中，X为正整数。
步骤二：将叠合材料层固化加热定型，获得初始形状的SMP双稳态复合材料层合板，且处于第一稳态。
步骤三：改变初始形状的SMP双稳态复合材料层合板的形状，获得临时形状的SMP双稳态复合材料层合板，且处于第二稳态。
形状记忆SMP板作为夹层项其在叠合材料层中的形状、尺寸作为一个可变量，从而提高了结构设计的灵活性。
所述的步骤一中，叠合材料层在制备时，将X层碳纤维树脂基复合材料层按照相同的纤维方向叠合铺设为一层叠合材料上层，预设叠合材料上层的纤维方向为0°；将另外X层碳纤维树脂基复合材料层按照相同的纤维方向叠合铺设为一层叠合材料下层，将一层形状记忆SMP板作为叠合材料中层，自上而下依次叠合铺设叠合材料上层、叠合材料中层和叠合材料下层，使得叠合材料下层的纤维方向为90°，获得的产物为正交铺设的一层具有形状记忆效应的叠合材料层。
所述的步骤一中，叠合材料层在制备时，自上而下的叠合材料上层和叠合材料下层中的各层碳纤维树脂基复合材料层的纤维方向按照45°和-45°交替布置，其中，叠合材料中层上下的两层碳纤维树脂基复合材料层的纤维方向不同，获得的产物为反对称铺设的一层具有形状记忆效应的叠合材料层。
正交铺设或反对称铺设方式有助于双稳态复合材料结构呈现出期望的稳态构型和获得理想的力学性能。
所述的步骤三中，改变初始形状的SMP双稳态复合材料层合板的形状具体为，将初始形状的SMP双稳态复合材料层合板加热至玻璃化转变温度Tg后施加驱动力使得初始形状的SMP双稳态复合材料层合板弯曲为第二弯曲状态，然后保持第二弯曲状态并冷却至常温，获得临时形状的SMP双稳态复合材料层合板，且处于第二稳态。
转变为第二弯曲状态后不需要在用外力保持，结构本身能处于稳定状态。
所述的步骤二中，叠合材料层固化加热定型具体为将叠合材料层置于预先准备的模具中并放入热压罐内，在130℃-200℃下固化1-3小时进行定型。
所述的步骤一中，叠合材料上层和叠合材料下层的单层厚度均小于等于0.1mm。
所述的叠合材料中层，即形状记忆SMP板的厚度为0.1-2mm，形状记忆SMP板为各种形状的薄板中的一种。
为了控制SMP双稳态复合材料层合板的厚度，形状记忆SMP板的厚度、形状以及预浸料的厚度都要进行一定的选择，避免结构太厚，不易折叠，导致不再具备双稳态效果。
所述的步骤一中，碳纤维树脂基复合材料层的材料具体为T700碳纤维环氧基预浸料、T700超薄碳纤维环氧树脂基预浸料、碳纤维双马树脂基预浸料、树脂基碳纤维编织预浸料、碳纤维长束预浸料中的其中一种。
碳纤维长束预浸料具体为将树脂预浸的碳纤维长束通过3D打印成的复合材料。
所述的步骤一中，形状记忆SMP板通过3D打印机打印成型。
形状记忆SMP板在制备时，通过在聚乳酸、聚氨酯、形状记忆树脂中的其中一种材料中均匀加入多壁碳纳米管或炭黑，获得形状记忆SMP材料打印线，将形状记忆SMP材料打印线通过3D打印机打印成型为形状记忆SMP板。
将在聚乳酸、聚氨酯、形状记忆树脂中的其中一种材料中均匀加入多壁碳纳米管或炭黑获得的混合物粉碎，并高速混合干燥，最后通过单螺杆挤出机制备3D打印长丝，即获得形状记忆SMP材料打印线。
或直接将在聚乳酸、聚氨酯、形状记忆树脂中的其中一种材料中均匀加入多壁碳纳米管或炭黑所获得的材料加入预先准备的模具中直接制成形状记忆SMP板。
所述的由正交铺设的一层叠合材料层制备而成的SMP双稳态复合材料层合板可朝自身的一个板面正对的朝向弯曲，或可朝自身的另一个板面正对的朝向弯曲。
所述的由反对称铺设的一层叠合材料层制备而成的SMP双稳态复合材料层合板仅可朝自身的其中一个板面正对的朝向弯曲。
一种碳纤维增强SMP双稳态复合材料层合板的驱动方法：
所述的驱动方法具体如下：
在常温状态下，将SMP双稳态复合材料层合板置于平面上，对SMP双稳态复合材料层合板进行加热、通电或红外光照刺激，使得SMP双稳态复合材料层合板的形状记忆SMP板加热到玻璃化转变温度Tg温度，产生形状恢复力，逐渐带动SMP双稳态复合材料层合板由临时形状恢复为初始形状，此时SMP双稳态复合材料层合板从平面上弹起，完成驱动变形过程；弹跳高度与加热时间和温度有关。
若制备过程中，临时状态的SMP双稳态复合材料层合板是在玻璃化转变温度Tg以上转换并冷却得到的，那么在它受到加热、通电或红外光照刺激后，会产生的形状恢复力更小，SMP双稳态复合材料层合板不会弹起。
改变SMP双稳态复合材料层合板的扭曲方法：对已有扭曲情况的SMP双稳态复合材料层合板加热至玻璃化转变温度Tg温度，通过外部驱动力使其变形到无扭曲状态，保持该状态冷却至常温。获得SMP双稳态复合材料层合板无扭曲状态的临时形状，在移除外力后，可实现在形状记忆SMP板的作用下SMP双稳态复合材料层合板在常温下可以保持无扭曲状态。
对SMP双稳态复合材料层合板曲率抑制的方法：预先将形状记忆SMP板的初始形状定义为弯曲状态，之后再把它的临时形状变成平面状态，和叠合材料上层以及叠合材料下层进行叠加铺设，放入热压罐高温固化，固化完冷却至常温，取出在对其高温加热，SMP双稳态复合材料层合板不会变为平面状态，而会在形状记忆SMP板初始形状是弯曲状态的作用下保持弯曲。正常不加形状记忆SMP板的双稳态复合材料层合板在制备完成后再次高温加热会由弯曲状态变为平面状态，即曲率为0。
本发明可通过红外光或者热场来触发结构中形状记忆SMP板的形状记忆效应，从而产生一定的形状恢复力，使结构变形，不需要再连接其它装置，例如气动硅胶、压电材料、介电弹性体等。同时，为了提高结构变形响应速度，可在制备形状记忆SMP板时添加适量多壁碳纳米管或炭黑等具有优异光热性能的材料，从而使得本发明结构适用于特殊环境。此外可通过调节形状记忆SMP板的形状结构大小来改变其变形时产生的变形力，从而改变SMP双稳态复合材料层合板的弹起高度。另一方面，也能通过设计形状记忆SMP板的形状来防止反对称结构的扭曲现象。
本发明的有益效果是：
本发明的层合板结构在外力作用下可以实现弹性展开，同时由于加入了形状记忆SMP板，使得材料具有形状记忆效应，可由一种稳态卷曲状态恢复到另一种稳态卷曲状态，同时，在SMP中加入多壁碳纳米管或炭黑等具有优异光热相应的材料，可以使该结构适用于变形速度有一定要求的环境。另一方面该层合板在室温预先切换临时形状，在加热后，可产生较大的变形力，使结构弹起，具有很大的应用前景。除此之外，由于SMP薄板形状大小具有可调性，所以可用于反对称壳结构的防扭曲应用，解决了反对称壳在使用过程中由于老化出现扭曲的情况，即形状记忆SMP薄板同层可结合别的材料，具有更高的应用性，例如增强刚度、保持曲率防止扭曲、实现交替驱动、改变第二稳态曲率等。以上各方面相互结合，不仅可用于双稳态结构稳态驱动，在软体机器人方面也有很大的应用潜力，这是之前报到的伸展机构所不具备的特性。
附图说明
图1为本发明正交铺设的SMP双稳态复合材料层合板结构示意爆炸图；
图2为本发明反对称铺设的SMP复合材料层合板结构示意爆炸图；
图3为本发明正交铺设的SMP复合材料层合板的两种稳态形状；
图4为本发明反对称铺设的SMP复合材料层合板的两种稳态形状。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
实施例1：
如图1和图3所示，制备一层形状记忆SMP板和2层碳纤维树脂基复合材料层，将1层碳纤维树脂基复合材料层作为一层叠合材料上层，预设叠合材料上层的纤维方向为0°；将另外1层碳纤维树脂基复合材料层作为一层叠合材料下层，将一层形状记忆SMP板作为叠合材料中层，自上而下依次叠合铺设叠合材料上层、叠合材料中层和叠合材料下层，使得叠合材料下层的纤维方向为90°，获得正交铺设的一层具有形状记忆效应的叠合材料层。碳纤维树脂基复合材料层的材料采用T700碳纤维环氧树脂基预浸料。
形状记忆SMP板选用形状记忆PLA板。形状记忆SMP板作为夹层项其在叠合材料层中的含量作为一个可变量，从而提高了结构设计的灵活性。
正交铺设或反对称铺设方式有助于双稳态复合材料结构呈现出期望的稳态构型和获得理想的力学性能。
叠合材料上层和叠合材料下层的单层厚度均等于0.1mm；叠合材料中层，即形状记忆SMP板的厚度为0.2mm，形状记忆SMP板为各种形状的薄板中的一种。为了控制SMP双稳态复合材料层合板的厚度，形状记忆SMP板的厚度、形状以及预浸料的厚度都要进行一定的选择，避免结构太厚，不易折叠，导致不再具备双稳态效果。
将叠合材料层置于预先准备的模具中并放入热压罐内，在130℃-200℃下固化1-3小时进行定型，获得初始形状的SMP双稳态复合材料层合板，且处于第一稳态。
改变初始形状的SMP双稳态复合材料层合板的形状，将初始形状的SMP双稳态复合材料层合板加热至玻璃化转变温度Tg后施加驱动力，使得初始形状的SMP双稳态复合材料层合板弯曲为第二弯曲状态，然后保持第二弯曲状态并冷却至常温，获得临时形状的SMP双稳态复合材料层合板，且处于第二稳态。转变为第二弯曲状态后不需要在用外力保持，结构本身能处于稳定状态。
制备而成的SMP双稳态复合材料层合板可朝自身的一个板面正对的朝向弯曲，或可朝自身的另一个板面正对的朝向弯曲。
实施例2：
如图2和图4所示，制备一层形状记忆SMP板和4层碳纤维树脂基复合材料层，将2层碳纤维树脂基复合材料层叠合铺设为一层叠合材料上层，将另外2层碳纤维树脂基复合材料层叠合铺设为一层叠合材料下层，将一层形状记忆SMP板作为叠合材料中层，自上而下依次叠合铺设叠合材料上层、叠合材料中层和叠合材料下层，其中，自上而下的叠合材料上层和叠合材料下层中的各层碳纤维树脂基复合材料层的纤维方向按照45°和-45°交替布置，叠合材料中层上下的两层的碳纤维树脂基复合材料层的纤维方向不同，获得反对称铺设的一层具有形状记忆效应的叠合材料层；碳纤维树脂基复合材料层的材料采用T700超薄碳纤维环氧树脂基预浸料。
形状记忆SMP板选用形状记忆PLA板。
叠合材料上层和叠合材料下层的单层厚度均等于0.05mm；叠合材料中层，即形状记忆SMP板的厚度为0.2mm。
将叠合材料层置于预先准备的模具中并放入热压罐内，在130℃-200℃下固化1-3小时进行定型，获得初始形状的SMP双稳态复合材料层合板，且处于第一稳态。
改变初始形状的SMP双稳态复合材料层合板的形状，将初始形状的SMP双稳态复合材料层合板加热至玻璃化转变温度Tg后施加驱动力，使得初始形状的SMP双稳态复合材料层合板弯曲为第二弯曲状态，然后保持第二弯曲状态并冷却至常温，获得临时形状的SMP双稳态复合材料层合板，且处于第二稳态。
制备而成的SMP双稳态复合材料层合板仅可朝自身的其中一个板面正对的朝向弯曲。
驱动方法具体如下：
在常温状态下，将SMP双稳态复合材料层合板置于平面上，对SMP双稳态复合材料层合板进行加热、通电或红外光照刺激，使得SMP双稳态复合材料层合板的形状记忆SMP板加热到玻璃化转变温度Tg温度，产生形状恢复力，逐渐带动SMP双稳态复合材料层合板由临时形状恢复为初始形状，此时SMP双稳态复合材料层合板从平面上弹起，完成驱动变形过程；弹跳高度与加热时间和温度有关。
若制备过程中，临时状态的SMP双稳态复合材料层合板是在玻璃化转变温度Tg以上转换并冷却得到的，那么在它受到加热、通电或红外光照刺激后，会产生的形状恢复力更小，SMP双稳态复合材料层合板不会弹起。
改变SMP双稳态复合材料层合板的扭曲方法：对已有扭曲情况的SMP双稳态复合材料层合板加热至玻璃化转变温度Tg温度，通过外部驱动力使其变形到无扭曲状态，保持该状态冷却至常温。获得SMP双稳态复合材料层合板无扭曲状态的临时形状，在移除外力后，可实现在形状记忆SMP板的作用下SMP双稳态复合材料层合板在常温下可以保持无扭曲状态。
对SMP双稳态复合材料层合板曲率抑制的方法：预先将形状记忆SMP板的初始形状定义为弯曲状态，之后再把它的临时形状变成平面状态，和叠合材料上层以及叠合材料下层进行叠加铺设，放入热压罐高温固化，固化完冷却至常温，取出在对其高温加热，SMP双稳态复合材料层合板不会变为平面状态，而会在形状记忆SMP板初始形状是弯曲状态的作用下保持弯曲。正常不加形状记忆SMP板的双稳态复合材料层合板在制备完成后再次高温加热会由弯曲状态变为平面状态，即曲率为0。
本发明可通过红外光或者热场来触发结构中形状记忆SMP板的形状记忆效应，从而产生一定的形状恢复力，使结构变形，不需要再连接其它装置，例如气动硅胶、压电材料、介电弹性体等。同时，为了提高结构变形响应速度，可在制备形状记忆SMP板时添加适量多壁碳纳米管或炭黑等具有优异光热性能的材料，从而使得本发明结构适用于特殊环境。此外可通过调节形状记忆SMP板的形状结构大小来改变其变形时产生的变形力，从而改变SMP双稳态复合材料层合板的弹起高度。另一方面，也能通过设计形状记忆SMP板的形状来防止反对称结构的扭曲现象。
Claims (10)
1.一种碳纤维增强SMP双稳态复合材料层合板的制备方法，其特征在于：
包括如下步骤：
步骤一：制备一层形状记忆SMP板和2X层碳纤维树脂基复合材料层，将X层碳纤维树脂基复合材料层叠合铺设为一层叠合材料上层，将另外X层碳纤维树脂基复合材料层叠合铺设为一层叠合材料下层，将一层形状记忆SMP板作为叠合材料中层，自上而下依次叠合铺设叠合材料上层、叠合材料中层和叠合材料下层，获得一层叠合材料层；其中，X为正整数；
步骤二：将叠合材料层固化加热定型，获得初始形状的SMP双稳态复合材料层合板，且处于第一稳态；
步骤三：改变初始形状的SMP双稳态复合材料层合板的形状，获得临时形状的SMP双稳态复合材料层合板，且处于第二稳态。
2.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强SMP双稳态复合材料层合板的制备方法，其特征在于：
所述的步骤一中，叠合材料层在制备时，将X层碳纤维树脂基复合材料层按照相同的纤维方向叠合铺设为一层叠合材料上层，预设叠合材料上层的纤维方向为0°；将另外X层碳纤维树脂基复合材料层按照相同的纤维方向叠合铺设为一层叠合材料下层，将一层形状记忆SMP板作为叠合材料中层，自上而下依次叠合铺设叠合材料上层、叠合材料中层和叠合材料下层，使得叠合材料下层的纤维方向为90°，获得的产物为正交铺设的一层叠合材料层。
3.根据权利要求2所述的一种碳纤维增强SMP双稳态复合材料层合板的制备方法，其特征在于：
所述的步骤一中，叠合材料层在制备时，自上而下的叠合材料上层和叠合材料下层中的各层碳纤维树脂基复合材料层的纤维方向按照45°和-45°交替布置，其中，叠合材料中层上下的两层碳纤维树脂基复合材料层的纤维方向不同，获得的产物为反对称铺设的一层叠合材料层。
4.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强SMP双稳态复合材料层合板的制备方法，其特征在于：
所述的步骤三中，改变初始形状的SMP双稳态复合材料层合板的形状具体为，将初始形状的SMP双稳态复合材料层合板加热至玻璃化转变温度Tg后施加驱动力，使得初始形状的SMP双稳态复合材料层合板弯曲为第二弯曲状态，然后保持第二弯曲状态并冷却至常温，获得临时形状的SMP双稳态复合材料层合板，且处于第二稳态。
5.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强SMP双稳态复合材料层合板的制备方法，其特征在于：
所述的步骤二中，叠合材料层固化加热定型具体为将叠合材料层置于预先准备的模具中并放入热压罐内，在130℃-200℃下固化1-3小时进行定型。
6.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强SMP双稳态复合材料层合板的制备方法，其特征在于：
所述的步骤一中，叠合材料上层和叠合材料下层的单层厚度均小于等于0.1mm；
所述的叠合材料中层，即形状记忆SMP板的厚度为0.1-2mm。
7.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强SMP双稳态复合材料层合板的制备方法，其特征在于：
所述的步骤一中，碳纤维树脂基复合材料层的材料具体为T700碳纤维环氧基预浸料、T700超薄碳纤维环氧树脂基预浸料、碳纤维双马树脂基预浸料、树脂基碳纤维编织预浸料、碳纤维长束预浸料中的其中一种；
碳纤维长束预浸料具体为将树脂预浸的碳纤维长束通过3D打印成的复合材料。
8.根据权利要求1所述的一种碳纤维增强SMP双稳态复合材料层合板的制备方法，其特征在于：
所述的步骤一中，形状记忆SMP板通过3D打印机打印成型；
形状记忆SMP板在制备时，通过在聚乳酸、聚氨酯、形状记忆树脂中的其中一种材料中均匀加入多壁碳纳米管或炭黑，获得形状记忆SMP材料打印线，将形状记忆SMP材料打印线通过3D打印机打印成型为形状记忆SMP板。
9.根据权利要求3所述的一种碳纤维增强SMP双稳态复合材料层合板的制备方法，其特征在于：
所述的由正交铺设的一层叠合材料层制备而成的SMP双稳态复合材料层合板朝自身的一个板面正对的朝向弯曲，或朝自身的另一个板面正对的朝向弯曲；
所述的由反对称铺设的一层叠合材料层制备而成的SMP双稳态复合材料层合板仅朝自身的其中一个板面正对的朝向弯曲。
10.应用于权利要求1～9任一所述制备方法制备的SMP双稳态复合材料层合板的驱动方法，其特征在于：
所述的驱动方法具体如下：
在常温状态下，将SMP双稳态复合材料层合板置于平面上，对SMP双稳态复合材料层合板进行加热、通电或红外光照刺激，使得SMP双稳态复合材料层合板的形状记忆SMP板加热到玻璃化转变温度Tg温度，产生形状恢复力，逐渐带动SMP双稳态复合材料层合板由临时形状恢复为初始形状，此时SMP双稳态复合材料层合板从平面上弹起，完成驱动变形过程。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115571324A (zh) * | 2022-12-09 | 2023-01-06 | 中国空气动力研究与发展中心设备设计与测试技术研究所 | 一种复合材料双稳态蒙皮结构及其在变形机翼上的应用 |
| CN118003378A (zh) * | 2024-03-11 | 2024-05-10 | 中国人民解放军国防科技大学 | 一种微爬行机器人制作方法及微爬行机器人结构 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101422973A (zh) * | 2008-12-10 | 2009-05-06 | 哈尔滨工业大学 | 具有双稳定构型的混杂复合材料层板 |
| CN113276440A (zh) * | 2021-05-24 | 2021-08-20 | 哈尔滨工业大学 | 一种薄壁柱壳结构的制备方法及展开回收方法 |
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