基于形状记忆复合材料控制收拢与展开的复合材料豆荚杆的制作方法

本发明提供一种基于形状记忆复合材料控制收拢与展开的复合材料豆荚杆，属于复合材料结构设计领域。

背景技术：

由于具有重量轻、刚度较大、收拢效率高、展开过程可靠等特点，复合材料豆荚杆在航天领域中得到广泛的关注和研究，具有良好的应用前景。复合材料豆荚杆通常采用碳纤维树脂基复合材料制作而成，是一种可以实现收拢与展开功能的薄壁管状杆结构。收拢时，可以使用卷轴将复合材料豆荚杆卷起而形成收拢状态；而展开时，复合材料豆荚杆可以依靠自身的弹性应变能从收拢状态恢复为展开状态。目前，通常使用机构来实现复合材料豆荚杆的收拢与展开功能，如文献cn106527499a(申请号：201611107560.2，发明名称：一种变刚度可展机构及其测控方法)提出了一种实现复合材料豆荚杆收拢与展开功能的机构，通过电机驱动卷轴转动，使缠绕在卷轴上的复合材料豆荚杆向前运动来实现复合材料豆荚杆收拢与展开功能，但是存在机构复杂、质量大、易卡顿、成本高和占用空间大等缺点。因此，为解决机构存在的问题，本发明提供一种基于形状记忆复合材料控制收拢与展开的复合材料豆荚杆，可以不通过机构而实现收拢与展开功能，且具有结构简单、质量小、成本低、体积小、收拢与展开可靠性高等优点。因此，本发明有非常好的工程应用价值。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于形状记忆复合材料控制收拢与展开的复合材料豆荚杆，以解决传统的复合材料豆荚杆需要机构才能实现收拢与展开功能的技术问题。

本发明所采用的技术方案如下：

本发明一种基于形状记忆复合材料控制收拢与展开的复合材料豆荚杆，与传统的复合材料豆荚杆需要机构才能控制收拢与展开的区别在于本发明的复合材料豆荚杆只需要一层形状记忆复合材料薄层即可控制收拢与展开，极大的节省了空间，有效的解决了机构复杂和易卡顿等问题。本发明的复合材料豆荚杆的横截面为上下对称并且左右对称的，横截面的轮廓线的一半为“ω”型，即由中间凸弧、两侧凹弧和水平边组成，与中间凸弧、两侧凹弧和水平边相对应的为本发明的复合材料豆荚杆的中间凸壳、两侧凹壳和胶接面三个部分。

本发明的复合材料豆荚杆所选用的复合材料由增强材料和聚合物材料组成，收拢和展开过程均发生弹性变形，首先通过施加外力使复合材料豆荚杆收拢变形，需要展开时再利用收拢变形时储存的弹性应变能完成展开变形过程，进而恢复至初始构型，实现形状记忆功能。所述“聚合物材料”为环氧树脂、苯乙烯、苯乙烯-丁二烯、反式聚异戊二烯、氰酸酯、聚氨酯、聚降冰片烯、聚酰亚胺、双马来酰亚胺、聚酰胺、聚苯硫醚、聚芳醚酮、聚乙烯醇，增强材料为碳纤维、玻璃纤维、kevlar纤维、硼纤维、植物纤维或以上纤维织物或以上纤维的短切纤维，以及微米或纳米级的碳粉、碳纳米颗粒或碳纳米管。

本发明的形状记忆复合材料薄层选用的复合材料由增强材料和聚合物材料组成，组分材料中的聚合物材料具有形状记忆特性，利用聚合物材料自身的形状记忆特性实现形状记忆复合材料收拢与展开的形状记忆功能。所述“聚合物材料”为环氧树脂、苯乙烯、苯乙烯-丁二烯、反式聚异戊二烯、氰酸酯、聚氨酯、聚降冰片烯、聚酰亚胺、双马来酰亚胺、聚酰胺、聚苯硫醚、聚芳醚酮、聚乙烯醇，增强材料为碳纤维、玻璃纤维、kevlar纤维、硼纤维、植物纤维或以上纤维织物或以上纤维的短切纤维，以及微米或纳米级的碳粉、碳纳米颗粒或碳纳米管。

与传统的复合材料豆荚杆相比，本发明的优点在于：

1、本发明所述的一种基于形状记忆复合材料控制收拢与展开的复合材料豆荚杆，展开过程平稳、回复精度高、展开后刚度大、无需机构来控制收拢与展开过程并且有效解决机构卡顿问题，为未来的航天器结构设计提供新思路。

2、本发明所述的一种基于形状记忆复合材料控制收拢与展开的复合材料豆荚杆，通过调整温度来控制形状记忆复合材料的刚性状态和柔性状态，展开前形状记忆复合材料处于刚性状态，需要展开时只需要通过加热形状记忆复合材料至转变温度以上即可实现自展开过程。

附图说明

图1是复合材料豆荚杆的主视示意图。

图2是复合材料豆荚杆的侧视示意图。

图3是复合材料豆荚杆拉扁或压扁状态的侧视示意图。

图4是被形状记忆复合材料薄层包裹后的复合材料豆荚杆的侧视示意图。

图5是带有一段或多段形状记忆复合材料薄层的复合材料豆荚杆的主视示意图

图6是带有一段形状记忆复合材料薄层的复合材料豆荚杆的侧视示意图。

图7是带有一段形状记忆复合材料薄层的复合材料豆荚杆拉扁或压扁后的侧视示意图。

图8是带有一段形状记忆复合材料薄层的复合材料豆荚杆绕轴卷起后的侧视示意图。

图9是带有多段形状记忆复合材料薄层的复合材料豆荚杆的侧视示意图。

图10是带有多段形状记忆复合材料薄层的复合材料豆荚杆拉扁或压扁后的侧视示意图。

图11是带有多段形状记忆复合材料薄层的复合材料豆荚杆绕轴卷起后的部分展开侧视示意图。

图1中：1.中间凸弧，2.两侧凹弧，3.水平边。

图2中：4.中间凸壳，5.两侧凹壳，6.胶接面。

图4中：7.卷轴，8.形状记忆复合材料薄层。

具体实施方式

下面结合附图和实施实例对本发明做出进一步的说明。

本发明一种基于形状记忆复合材料控制收拢与展开的复合材料豆荚杆，与传统的复合材料豆荚杆需要机构才能控制收拢与展开的区别在于本发明的复合材料豆荚杆只需要一层形状记忆复合材料薄层即可控制收拢与展开，极大的节省了空间，有效的解决了机构复杂和易卡顿等问题。本发明的复合材料豆荚杆的横截面为上下对称并且左右对称的，横截面的轮廓线的一半为“ω”型，即由中间凸弧1、两侧凹弧2和水平边3组成（如图1所示），与中间凸弧1、两侧凹弧2和水平边3相对应的为本发明的复合材料豆荚杆的中间凸壳4、两侧凹壳5和胶接面6三个部分（如图2所示）。本发明提供三个实施例来使用形状记忆复合材料薄层控制复合材料豆荚杆收拢与展开。

实施例一

本实施例的这种基于形状记忆复合材料控制收拢与展开的复合材料豆荚杆，在完全展开的状况下，复合材料豆荚杆的横截面为豆荚杆形（如图1所示）。首先通过施加外力将复合材料豆荚杆拉扁或压扁（如图3所示），使用卷轴7将复合材料豆荚杆卷起，通过加热形状记忆复合材料薄层8至转变温度以上，形状记忆复合材料薄层由刚性状态为柔性状态，再用柔性状态的复合材料薄层8将复合材料豆荚杆包裹起来，冷却形状记忆复合材料薄层8至转变温度以下，形状记忆复合材料薄层8由柔性状态变为刚性状态，起到自锁定作用（如图4所示）。需要展开时，只需加热形状记忆复合材料薄层8至转变温度以上，形状记忆复合材料由刚性状态转变为柔性状态，复合材料豆荚杆利用储存的应变能完成展开变形过程，最终恢复至初始构型，展开过程中形状记忆复合材料起到自解锁作用。

实施例二

本实施例的这种基于形状记忆复合材料控制收拢与展开的复合材料豆荚杆，在复合材料豆荚杆的顶部表面或者底部表面接触或胶接了一段形状记忆复合材料薄层8（如图5和图6所示）。复合材料豆荚杆需要收拢时，将形状记忆复合材料薄层8加热到转变温度以上，形状记忆复合材料薄层8由刚性状态变为柔性状态，施加外力将复合材料豆荚杆拉扁或者压扁（如图7所示），使用卷轴7将复合材料豆荚杆卷起，在收拢状态下冷却形状记忆复合材料，形状记忆复合材料薄层8由柔性状态变为刚性状态，即使撤去外力，复合材料豆荚杆也可保持变形后的状态（如图8所示），可实现自锁定作用。需要展开时，将形状记忆复合材料薄层8加热至转变温度以上，形状记忆复合材料薄层8由刚性状态变为柔性状态，复合材料豆荚杆利用储存的应变能完成展开变形过程，最终恢复至初始构型，展开过程中形状记忆复合材料起到自解锁作用。

实施例三

本实施例将实施例二中的一段形状记忆复合材料薄层8改为多段形状记忆复合材料薄层8（如图9所示），可以根据需要有效地控制复合材料豆荚杆展开过程。收拢过程与实施例二保持一致（如图10所示），但是本实施例的复合材料豆荚杆需要展开时，从外层到内层依次将形状记忆复合材料薄层8加热至转变温度以上，多段形状记忆复合材料薄层8依次由刚性状态变为柔性状态，复合材料豆荚杆利用储存的应变能完成逐渐展开过程（如图11所示），根据需要可控制展开过程，实现形状记忆功能，展开过程中形状记忆复合材料起到自解锁作用。

本发明提供的三个实施例应用到航天领域可以高效地实现复合材料豆荚杆收拢与展开功能，相对于传统的机构具有明显的优势，可以实现自锁定和自展开过程，结构简单，操作容易，节省空间。