形状记忆聚合物及其复合材料在航天领域的应用进展

李丰丰，刘彦菊，冷劲松

(1. 哈尔滨工业大学航天科学与力学系，哈尔滨 150001；2. 哈尔滨工业大学特种环境复合材料技术国家级重点试验室，哈尔滨 150080)

0 引 言

形状记忆聚合物(Shape memory polymer，SMP)是通过感知外界环境变化而产生主动变形的一种新型智能材料，可以在某些刺激(热、电、磁、光、溶液等)下从临时固定形状回复到原始形状[1-7]。自1941年第一篇公开文献报道甲基丙烯酸酯树脂具有形状记忆效应以来，不同种类的形状记忆聚合物(环氧，苯乙烯，氰酸酯，聚酰亚胺，聚乙烯，聚苯乙烯，聚丙烯酰胺等)已被开发，以满足各种应用需求[8-9]。形状记忆聚合物具有低成本、低密度、大的可回复应变、多选择的激励方法、可调控的玻璃化转变温度、在材料级实现结构驱动变形等优点[10-13]。但形状记忆聚合物作为一种有机高分子材料，刚度远低于形状记忆合金及形状记忆陶瓷材料，通过将其制备成形状记忆聚合物复合材料(Shape memory polymer composite, SMPC)，可大大提高材料的刚度和回复力[2, 14-18]。形状记忆聚合物复合材料根据增强材料类型通常可分为颗粒增强复合材料和纤维增强复合材料[2, 14-18]。颗粒增强的形状记忆聚合物复合材料更多地用作功能材料[3, 8, 19-20]；纤维增强的形状记忆聚合物复合材料由于其良好的机械性能，通常用作结构材料[2-3, 12-13, 21]。

考虑到火箭的承载能力及大型空间结构(天线，太阳能阵列，太阳帆和太空望远镜等)的需求，可展开结构应用而生。多数可展开结构依靠机电机构或机械臂进行展开。形状记忆材料可以作为新的空间可展开结构的驱动部件，在没有复杂机械设备的情况下实现在由材料形状记忆特性驱动的展开[2-3, 21-22]。同时，由形状记忆材料制备的部件具有重量轻，相对高的刚度和强度，低成本，以及高可靠性的优点[1-3, 21-22]。本文重点关注面向航天领域应用的形状记忆聚合物及其复合材料，介绍其形状记忆机理，评述近几年开发的面向航天应用的可展开铰链、可展开桁架、可展开太阳能电池阵列、锁紧释放机构，总结并展望基于该类材料的空间可展开结构的未来的研究重点和发展趋势。

1 形状记忆机理简介

形状记忆聚合物及其复合材料最显着的特性为形状记忆效应，它使基于该类形状记忆材料的结构成为取代复杂机械结构的可能。以热致型形状记忆聚合物为例，一个完整的形状记忆循环从原始形状开始，当材料被加热至温度高于玻璃化转变温度(Glass transition temperature)Tg时，对材料施加外力使其变形；保持外界约束，使材料降温至玻璃化转变温度以下，撤去外界约束，材料变形被保持；当材料再次被加热到温度高于其玻璃化转变温度时，材料回复到原始形状(如图1所示)[1-2, 23-27]。

图1 形状记忆循环示意图[2]Fig.1 Schematics of the shape memory cycle[2]

通过对形状记忆聚合物的结构分析可知形状记忆聚合物的形状记忆效应主要由于材料内部的两相结构：保持宏观原始形状的固定相和可逆软化硬化的可逆相[2-3,7, 21]。其中，固定相能够保证材料的宏观形状及刚度，可逆相能够保证材料在变形记忆状态过程中的大变形及保持临时形状。当材料受外部激励和载荷作用时，其内部分子链的取向和交联点将发生平移；撤去外部激励并保持载荷，可使这些重新取向的分子链段产生二次交联，直到分子链段的微布朗运动冻结，材料硬化成型；当材料再次受激励时，其内部可逆相软化，分子链段的二次交联被解除，宏观表现出形状回复。图2为形状记忆效应机理图，图中黑色点为固定相，代表将分子链段连接在一起的交联点，可由物理相互作用或化学共价键构成；长线条为可逆相，代表分子链段，其中蓝色线条代表冻结链段，红色线条代表激活链段[7]

迄今为止，公开文献中应用于航天领域的形状记忆聚合物复合材料通常以碳纤维或其织物为增强相[1-3, 21-24]。由于碳纤维的最大伸长率小于2%，限制了形状记忆聚合物复合材料的拉伸变形，但该材料仍可在大的宏观弯曲变形下保持良好的性能，故在实际应用中多利用弯曲变形模式[22]。研究人员认为微屈曲是形状记忆聚合物复合材料可以承受较大的弯曲变形的原因。当温度高于转变温度，基体形状记忆聚合物由于剪切模量低(数量级为10 MPa)，没有足够的刚度来支撑被压缩的纤维，致使纤维发生微屈曲(如图3所示)。可通过理论计算和显微观察来确定单向碳纤维增强形状记忆聚合物复合材料的中性面，临界屈曲位置，纤维屈曲半波长和振幅等[23-24]。需注意的是，由于形状记忆聚合物复合材料结构要求变形较大，所以不允许有较高的纤维含量；形状记忆聚合物复合材料的厚度通常小于2 mm，因为较厚或具有大模量的层合板会在弯曲变形中产生较大的剪切力以抵抗纤维弯曲，造成基体损坏。

图3 纤维增强形状记忆复合材料的微屈曲行为[23]Fig.3 The micro-buckling of the fiber reinforced shape memory polymer composite[23]

2 可展开铰链

美国的复合技术开发公司(Composite Technolo-gy Development Inc.，CTD)自20世纪90年代开发了TEMBO®弹性记忆复合材料(Elastic memory composite，EMC)[21-22, 28-31]。EMC是碳纤维增强的形状记忆聚合物复合材料。CTD公司开发的多种基于EMC的可展开结构中最具代表的是EMC可展开铰链(如图4所示)。EMC可展开铰链主要部件为两个粘贴有电阻丝的圆弧形EMC材料层合板，两片层合板相背放置，通过端部接头连接[28]。2006年，EMC可展开铰链首次在TacSat-2卫星上展开了试验型太阳能电池阵列(Experimental solar array，ESA)[32]。2007年，EMC可展开铰链在国际空间站进行了零重力展开试验。试验共有6组铰链，每个铰链配备端部夹具，远程驱动和计量装置，以评估展开准确性，输出力和扭矩[33]。EMC可展开铰链成功的空间飞行试验证明了其作为航天应用部件的可行性和可靠性，从原理上证实了基于TEMBO®材料的其他可展开结构在空间应用上的可行性。

图4 EMC可展开铰链铰链[28]Fig.4 EMC deployable hinge[28]

Lan等[34]通过对碳纤维布增强的形状记忆聚合物复合材料层合板的厚度、横截面圆弧半径及弧度角、加热方式和金属配件等进行优化设计，制备了可展开铰链，并用其驱动单个太阳能电池板展开。该可展开铰链采用横截面圆弧角120°、圆弧半径12.5 mm、厚3 mm、长100 mm的形状记忆聚合物复合材料层合板作为主要部件；两片圆弧形状记忆聚合物复合材料层合板背部相对，并有端部固定件连接。固定件采用舌状夹持端设计，可有效降低应力集中。图5为该铰链从弯曲变形140°展至0°的过程示意图，展开过程先快后慢，约100 s展开完全[2, 34]。该层合板相较EMC可展开铰链所用的层合板厚，故可提供的较大回复力。该类型铰链重量轻、不涉及复杂的机械部件，可从材料层面实现驱动展开、展开过程无冲击，有望替代传统的金属铰链。但相较金属铰链，该类铰链具有驱动力小、刚度低等缺点。

图5 形状记忆聚合物复合材料铰链驱动展开太阳能电池板[2]Fig.5 Deployment process of the solar array by SMPC hinge[2]

Chen等[35]开发了一种新的空间可展开机构(Space deployable mechanism，SDM)，它实质为一种较大型的铰链，包含四个内置的形状记忆聚合物复合材料层合板，四个外置的用于改善整体刚度和展开力的复合弹簧带，以及两个用于将形状记忆聚合物复合材料和CST固定在一起的铝合金接头(如图6所示)。圆弧半径0.19 m，长0.50 m，重量2.142 kg的SDM试验模型已制备并进行了结构刚度和形状回复率试验。结果表明，SDM在绕X轴的抗弯刚度达到5000 N·m2以上，可至少实现10次形状恢复率超过99.994%的形状回复试验[35]。SDM是目前开发的基于形状记忆聚合物复合材料铰链中输出力矩最大的结构，起结构承载和展开驱动的双重作用，显示出在空间可展开结构的巨大应用潜力。

图6 SDM机构展开试验[35]Fig.6 The deployment process of the SDM structure[35]

3 可展开桁架

继EMC可展开铰链后，CTD公司为FalconSat-3微型卫星设计了基于形状记忆聚合物复合材料的可展开重力梯度杆，进行了地面基本性能测试与低轨飞行试验(如图7所示)[36]。该重力梯度杆采用中央套管和三个环绕中央套管呈120°分布的形状记忆聚合物复合材料层合板构成。在折叠状态，三个纵向的形状记忆聚合物复合材料层合板以S型折叠收缩；当加热膜通电，形状记忆聚合物复合材料层合板回复到平直状态，从而带动重力梯度杆展开。该重力梯度杆顶端负重8 kg，展开后长度为3.3 m，总质量为10.6 kg[37]。该结构不需电机等机械设备，展开/收拢比高，但横向刚度低，仅调节了星体Z方向的稳定性。

图7 可展开重力梯度杆[36]Fig.7 The deployable gravity gradient boom[36]

Leng等[38-39]基于碳纤维布增强的形状记忆聚合物复合材料层合板开发了两种桁架结构：单轴可展开梁和三轴可展开桁架(如图8所示)。单轴可展开梁类似于上文中提到的可展开的重力梯度杆，由可伸展的中心套筒杆与周向呈120°分布的形状记忆聚合物复合材料层合板构成，但该桁架中同级套筒杆的横截面直径相同以减小摩擦，不同级片层采用套环连接。三轴可展开桁架由三组套筒杆及外覆于套筒上的形状记忆聚合物复合材料层合板组成，套筒杆之间由压条连接以构成稳固的三角形横截面。两种桁架结构中处于同一高度的片层为一级，每级均由三个形状记忆聚合物复合材料层合板组成，层合板在桁架收拢时呈“V”字形，通电加热后逐步展开为“-”字形，以驱动桁架展开[38-39]。图8(c)为单轴可展开梁的展开过程图，桁架在展开初期运动缓慢，当温度达到层合板玻璃化转变温度后展开速度加快，最后趋于平缓，该模型历时约100 s实现完全展开[38]。单轴可展开梁的刚度低于三轴可展开桁架，但三轴可展开桁架在展开过程中需要克服的阻力大，需采用回复力矩更大的形状记忆聚合物复合材料层合板。

图8 两种可展开桁架结构[38-39]Fig.8 Two kinds of deployable trusses[38-39]

Liu等[40]开发了一种采用一体化形状记忆聚合物复合材料铰链的可展开杆(如图9所示)。可展开杆以形状记忆聚合物复合材料圆柱管为基础，将形状记忆聚合物复合材料管沿侧面部分掏空，形成两个圆弧角为120°的对称的弧形层合板，该部分易于折叠、展开，可作为铰链使用[40]。可展开杆Z形折叠收拢，通过加热不同部位的铰链可形成不同的展开路径，可展开杆各段的长度、段数、弯曲角度等可进行优化设计，以满足不同的要求，该结构可应用于自驱动夹持装置和多角度成像系统等。模态试验结果表明，采用一体化形状记忆聚合物复合材料铰链的可展开杆具有较高的固有频率，其第一阶固有频率为101.3 Hz，远高于采用组合式铰链的46.3 Hz[40]。这种可展开杆不需复杂机械装置，在材料水平上实现结构展开，重量轻、刚度和强度相对较高。可拆卸的关键越少，展开结构的刚度越高。一体化设计理念是提高新结构刚度的好方法。

扦插处理后第30天，对不同景天品种的扦插苗生长量进行统计。由表2可以看到：不同浓度IBA处理的生根率差异不大，但平均植株高度、平均生根数、平均根长差异较大，其中浓度为100mg/L的处理，品种植株高，根长也最大、生根数量表现最多；在清水对照处理中的品种植株表现最低，根生长最短、平均根数最少；另两种IBA浓度的处理表现相差不大，品种根系生长状况介于两者之间。

图9 可展开杆展开试验[40]Fig.9 Deployment process of the self-deployable bar[40]

Li等[41]介绍了一种可尖端负载的可展开桁架(如图10所示)。该桁架继承了之前的可展开重力梯度杆[36]和单轴可展开梁[39]的展开机制，使用三级套管作为中央可展开杆，外覆两级呈120°分布的SMPC平直层合板作为驱动源。由于到SMPC层合板的固定能力不足以将桁架锁定在收拢状态，故该桁架在套筒内设置了杆式锁紧释放装置；同时该桁架采用带有角撑板基座和辅助支撑框架，以提高结构刚度和避免根部疲劳。尖端载荷为1.3 kg的主体金属框架在收拢状态下的第一阶固有频率为127 Hz，展开状态下的第一阶固有频率为5 Hz[41]。桁架整体在经历条件为8g(g为重力加速度)正弦扫频试验，10g的加速度试验及1600g的冲击试验

图10 尖端负载的可展开桁架[41]Fig.10 The tip-loaded deployable truss[41]

后未变形和损坏[41]。相较于本节中其他的桁架。该桁架刚度高，能承受苛刻的力学环境，可以用作各种组件(例如天线，空间探测器等)的扩展架。

4 可展开太阳能电池阵列

传统航天用太阳能电池阵列多采用刚性蜂窝板和板间金属铰链相互连接。CTD和Lan等采用上文第3节提到的基于形状记忆聚合物复合材料的可展开铰链代替金属铰链作为驱动和连接关节，研制了基于该铰链的太阳能电池阵列，如图4(a)和图5所示。

不同于铰链式连接的太阳能电池阵列，CTD为小型航天器推出了一种采用形状记忆聚合物复合材料线型铰链的新型复合轻量阵列(Composite lightweight array using shape-memory polymer，CLASP)[42]。线型铰链连接相邻的基板，完整覆盖连接部位，CLASP一旦展开就具有连续的表面。其原理样机已在6U CubeSat模型上进行了多次折叠、展开试验。试验所用的线型铰链的玻璃化转变温度为120 ℃，从距卫星主体最远端向根部依次激励并成功展开(如图11所示)。CLASP展开后长1.0 m，宽0.36 m[42]。相关部门已计划进行工程样机的制备与地面鉴定试验，但截止目前为止，没有任何材料更新[42]。相较于分散式的铰链连接，这种设计不仅可以提高太阳能电池阵列的刚度和强度，还可以提高收纳的容积效率，用于制备展开面积更大的太阳能电池阵列。但由于线型铰链尺寸较大，故所需能量增多。

图11 新型复合轻量阵列CLASP展开试验[42]Fig.11 The deployment process of CLASP[42]

2016年，哈尔滨工业大学冷劲松教授课题组自主研制的“太阳光激励展开的柔性基板”(代号Mission SMS-I)进行了地面及地球静止轨道试验验证(如图12所示)[43]。该柔性基板采用碳纤维增强的形状记忆聚合物复合材料制成；一旦基板的温度达到或超过玻璃化转变温度，基板便可以从“Ω”型收拢状态回复到“-”型展开状态。该结构经历了系列地面试验(包括振动、冲击、真空热循环及地面展开试验)和在轨验证试验(在轨展开及长期抗辐照观察)。试验结果表明Mission SMS-I可承受所处的力及热环境，在轨道上成功展开部署，并具有良好的长期抗辐射能力[43]。这是我国首次实现形状记忆聚合物智能复合材料展开结构的空间应用，也是国际上首次实现该类型智能结构的高轨道空间应用。相较于现有的柔性太阳能电池阵列，该结构集常规基板、支撑和部署功能为一体，构造简单，无复杂的机械部件，展开过程中不存在“卡死”等机械故障。虽然该结构展开不需要航天器提供能源，但在受光照与非受光照情况下刚度有差异，未来应用中需权衡节省能源与变刚度的影响。

图12 太阳光激励展开的柔性基板[43]Fig.12 The sunlight-stimulated flexible substrate[43]

Liu等[44]开发了一种基于形状记忆聚合物复合材料的豆荚杆，并提出了一种结合该豆荚杆与薄膜式太阳能电池的柔性太阳能列阵。豆荚杆分布在薄膜式太阳能电池的两侧，在热激励情况下可蜷曲、展开。图13显示了基于形状记忆聚合物复合材料豆荚杆的柔性太阳能列阵的地面展开过程，其在经过30次变形循环后仍能良好展开，平均回复率96.2%左右[44]。该柔性太阳能列阵的于2019年12月搭载实践二十号卫星进行在轨飞行，并于2020年1月成功在轨展开，验证了多项基于形状记忆材料的主动展开技术。该结构与NASA在2017年进行空间飞行实验的Roll-Out Solar Array (ROSA)柔性太阳能电池阵列均在两侧设置有可展开梁。与ROSA采用应变能储存原理不同，该结构采用基于形状记忆聚合物复合材料豆荚杆，其明显优势是借助形状记忆材料在不同温度下变刚度的特点，将结构收拢储存在小体积状态，结构展开过程稳定、无冲击，但需通电加热，耗费一定的星上资源。

图13 基于形状记忆聚合物复合材料豆荚杆的柔性太阳能列阵展开过程[44]Fig.13 The deployment process of the flexible solar array based on SMPC lenticular tube[44]

5 锁紧释放机构

在众多的形状记忆聚合物/形状记忆聚合物复合材料应用实例中，材料的形状记忆性能是关注重点。基于形状记忆聚合物复合材料的智能锁紧释放机构除形状记忆性能外，还需要考虑材料的形状固定性能，该性能影响锁紧释放机构的锁紧力。以下三种锁紧释放机构分别适用于不同锁紧力需求的场景。

Zhao等[45]研制了一种基于碳纤维增强环氧基形状记忆聚合物复合材料的高负载能力的锁紧释放机构(如图14所示)。该结构内部为沙漏状金属芯，外部为碳纤维的体积分数为60%，缠绕角度为45°的形状记忆聚合物复合材料套筒。锁紧状态下，外部套筒被压紧至金属芯，可承受轴向拉力；当再次加热外部套筒时，套筒回复其初始圆柱形状，可轻松与金属芯分离。该机构的锁紧力可随着形状记忆聚合物复合材料套筒的压痕数量、压痕深度的增加而增加，但压痕深度越大，套筒表面损伤增大。图14显示了锁紧释放机构的释放过程，时间为28 s[45]。该锁紧释放机构的锁紧力可达4000 N，具有结构简单、无瞬时冲击、清洁、静音、成本低等优点。不同于传统火工品锁紧释放机构在航天器上最终使用的产品不是在地面进行过实验的产品，该机构可在地面进行多次检验后投入使用，但其相较于传统火工品锁紧释放机构质量和体积较大。

图14 锁紧释放机构释放过程[45]Fig.14 The release process of the release device[45]

Wei等[46]开发了三种基于碳纤维增强苯乙烯基形状记忆聚合物复合材料的智能锁紧释放机构(如图15所示)：“莲花”型，“八爪”型和“竹子”型，其配合段部件的变形模式分别为：弯曲，扭曲和收缩。通过进行拉伸试验获得了“莲花”型和“竹子”型装置的锁定载荷，其中“竹子”型装置的最大载荷为430 N，高于“莲花”型装置的284 N[46]。“八爪”型装置由于试验过程中爪子和形状记忆聚合物复合材料圆筒脱粘，未能完成锁紧力测试[46]。三种智能锁紧释放机构都可以在不到30 s内完全释放。与传统的爆炸螺栓释放装置不同，新装置中没有火药，降低了成本，减少了分离过程中的冲击和污染。但智能锁紧释放装置的锁紧力低，致使应用受限，仅适用于锁紧力需求102N量级的应用场景。

图15 智能锁紧释放装置[46]Fig.15 Smart release devices[46]

Zhang等[47]提出了一种适用于小型机构的基于形状记忆聚合物复合材料的超轻释放装置。该装置所用的形状记忆聚合物复合材料板初始状态为平直板，可变形为U型钩实现锁定；其上通过丝网印刷技术印有加热电路；通电可使形状记忆聚合物复合材料板回复平直状态。图16为该装置在3U立方体卫星上进行的展开试验，3 V电压驱动条件下，太阳能帆板在24 s完成展开[47]。该装置进行了形状记忆循环试验和高低温试验，证实了其具有良好的可重复使用性和可靠的锁定性能。该装置具有重量轻、结构小巧简单、集成度高、成本低等优点，然而锁紧力较低，故应用仅限制于小型可展开结构。

图16 3U立方星太阳能帆板展开过程[47]Fig.16 The release process of the solar array on a 3U CubeSat[47]

6 结 论

针对基于形状记忆聚合物及其复合材料的空间结构的研究已开展多年，在结构研制及性能测试方面积累了坚定的基础。鉴于形状记忆聚合物及其复合材料具有良好的抗空间辐射性、稳定的形状记忆性能、合适的机械性能、简单有效的激励方法和易于加工等性能，多种基于形状记忆聚合物复合材料的可展开铰链、可展开桁架、可展开太阳能电池阵列、锁紧释放机构的结构被开发；部分结构(EMC铰链、重力梯度杆、太阳光激励的柔性基板，基于形状记忆聚合物复合材料豆荚杆的柔性太阳能列阵)已完成了在轨飞行试验，证实了该材料或结构在航天领域应用的可行性；但是大多数基于该类材料的结构仅完成地面检验试验。在后续研究工作中，针对以上不同结构有以下问题值得探索：

1) 可展开铰链

具有不同结构形式和力学性能的基于形状记忆聚合物复合材料的可展开铰链已被开发，可适用于不同的应用场景。但研究人员未对铰链展开精度和速率进行主动控制，该方面是之后研究工作的重点。同时，我们需要设计铰链接口，使其灵活匹配各种任务需求。

2) 可展开桁架

基于形状记忆聚合物复合材料的可展开桁架展开可靠，具有较大的展开/收拢比。但为实现可展开桁架的逐级可控展开，需在各级形状记忆聚合物复合材料层合板变形处贴覆电加热膜和热敏电阻等元器件，由此引入的线路会增加载荷重量，优化线路设计将是之后工作的重点之一。

3) 可展开太阳能电池阵列

Y=-900.6228+0.032337X 1+0.043653X 2-51.58683X 3-25.54347X 4-10.13060X 5+4.818238X 6

目前为止，多数基于形状记忆聚合物复合材料的太阳能电池阵列处于原理样机阶段。太阳能电池阵列的开发，除在结构形式创新外，需根据整体结构的力学性能进行形状记忆材料的选择，以保证太阳能电池阵列在收拢状态下的基频不与安装本体的频率相耦合，在展开状态下其基频不与安装本体的姿态控制系统相互干扰。

4) 锁紧释放机构

相较于以金属作为主要材料的传统锁紧释放机构，以高分子聚合物作为主要材料的智能锁紧释放机构存在明显的松弛和蠕变，开发形状固定率高、承载能力大的形状记忆材料和智能结构形式是之后工作的重点。同时，我们可改善结构的储存环境以延长储存寿命。但开发、探索更多的应用场景将是推广该类结构应用的更为行之有效的方法。