專利名稱：充氣剛化形狀記憶復(fù)合薄膜的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可充氣展開的太空結(jié)構(gòu)用的復(fù)合材料。
背景技術(shù)：
充氣剛化太空結(jié)構(gòu)是國際上新近開始研究開發(fā)的一種先進(jìn)的航天工程結(jié)構(gòu)新技術(shù)，其目標(biāo)就是以低成本構(gòu)建大型(或超大型)空間結(jié)構(gòu)。它是一種以柔性材料構(gòu)造的空間結(jié)構(gòu)，在展開前它是柔性的，其擺放和折疊形式較為自由，需要較小的發(fā)射空間；當(dāng)其工作時，以充氣方式展開，利用剛化技術(shù)生成大型的超輕型的航天器結(jié)構(gòu)部件或航天器的功能部件。利用充氣剛化太空結(jié)構(gòu)技術(shù)可以較容易地構(gòu)建大型空間結(jié)構(gòu)，同時可以減輕發(fā)射重量和發(fā)射體積，是一種能夠構(gòu)建大型空間結(jié)構(gòu)和降低發(fā)射(運(yùn)載)成本的有效解決途徑?？勺鳛槌錃鈩偦战Y(jié)構(gòu)的復(fù)合材料有熱固性可剛化復(fù)合材料和紫外固化復(fù)合材料。熱固性可剛化復(fù)合材料是一種具有優(yōu)異結(jié)構(gòu)特性和設(shè)計(jì)靈活性的剛化材料，盡管熱固性可剛化復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)較多，但它還存在儲存能力差、基體樹脂固化所需能量高、剛化過程不可逆，使飛行器設(shè)計(jì)復(fù)雜化的問題。紫外固化復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)是，它可用從太陽光得到的紫外線能量來固化，因而簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。但是，利用太陽能來固化，其固化過程難以控制，形成陰影區(qū)，從而導(dǎo)致不均勻固化和結(jié)構(gòu)形狀畸變，同時還要考慮材料熱膨脹系數(shù)(CTE)對形狀精度的影響，且熱固性和紫外固化是不可逆的，因而只能完成一次性剛化過程。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種充氣剛化形狀記憶復(fù)合薄膜，它可解決熱固性可剛化復(fù)合材料存在儲存能力差、基體樹脂固化所需能量高、剛化過程不可逆的問題及紫外固化復(fù)合材料存在固化過程難以控制、剛化過程不可逆的問題。本發(fā)明包括由里至外依次疊加在一起的內(nèi)部氣體阻隔層、可剛化層和加熱層；本發(fā)明還包括外部隔熱層；所述外部隔熱層疊加在加熱層的外表面上，外部隔熱層至少設(shè)置有兩層，所述可剛化層由形狀記憶復(fù)合材料制成。
本發(fā)明具有以下有益效果形狀記憶復(fù)合材料選用玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)高于空間環(huán)境中實(shí)際使用溫度的樹脂，充氣剛化太空結(jié)構(gòu)展開過程中對復(fù)合薄膜進(jìn)行加熱，節(jié)約能量，且硬化過程可逆，可進(jìn)行多次的地面測試，室溫條件下，幾乎可以無限期存儲而無明顯的性能降低，固化條件簡單，無最大厚度限制。通過對樹脂合成工藝條件、參數(shù)等的控制，制得具有不同玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的樹脂品種；通過充氣剛化太空結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可獲得具有近于零的熱膨脹系數(shù)(CTE)值，使充氣剛化太空結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)無缺陷的末端連接。本發(fā)明可以調(diào)節(jié)形狀記憶溫度，樹脂固化所需能量低、固化過程易控制、剛化過程可逆、可進(jìn)行多次的地面測試，室溫條件下，幾乎可以無限期存儲，不會隨儲存時間增長出現(xiàn)性能下降、硬化條件降低等問題。


圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)主視圖。
具體實(shí)施例方式
具體實(shí)施方式

一結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式由里至外依次由疊加在一起的內(nèi)部氣體阻隔層1、可剛化層2、加熱層3和外部隔熱層4組成；外部隔熱層4設(shè)置有四層，可抵抗惡劣的空間環(huán)境，所述可剛化層2由形狀記憶復(fù)合材料制成，外部隔熱層4的層數(shù)根據(jù)不同的空間環(huán)境和任務(wù)的需要進(jìn)行相應(yīng)的選擇設(shè)計(jì)。
具體實(shí)施方式

二結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的內(nèi)部氣體阻隔層1由聚酰亞胺薄膜或聚酯薄膜材料制成。由于內(nèi)部氣體阻隔層1設(shè)置在充氣剛化太空結(jié)構(gòu)的最內(nèi)側(cè)，為了防止內(nèi)部氣體泄漏，保持氣體和防止充氣剛化太空結(jié)構(gòu)在包裝時粘結(jié)，內(nèi)部氣體阻隔層1選用上述材料可滿足上述要求。其它組成及連接關(guān)系與具體實(shí)施方式

一相同。
具體實(shí)施方式

三結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的形狀記憶復(fù)合材料由形狀記憶聚合物和增強(qiáng)纖維復(fù)合制成，所述形狀記憶聚合物是形狀記憶聚氨酯、形狀記憶環(huán)氧樹脂、形狀記憶聚酯、交聯(lián)聚乙烯或交聯(lián)聚苯乙烯其中的一種；增強(qiáng)纖維是PBO纖維、碳纖維、芳綸纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維、超高分子量聚乙烯纖維或聚芳酯纖維其中的一種?？蓜偦瘜?由形狀記憶復(fù)合材料制成，加熱后折疊，冷卻后在軌道上再次加熱進(jìn)行充氣展開，冷卻而得到硬質(zhì)材料，用于支撐整個充氣剛化太空結(jié)構(gòu)，該層材料的合理設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)復(fù)合薄膜和充氣剛化太空結(jié)構(gòu)高性能的關(guān)鍵。其形狀記憶剛化技術(shù)的原理是將形狀記憶復(fù)合材料加熱到形狀記憶聚合物熔融溫度或Tg以上，快速冷卻成型使樹脂獲得永久變形，這是應(yīng)力最低的狀態(tài)。在Tg以上進(jìn)行限制性折疊產(chǎn)生存儲應(yīng)力能，然后在Tg以下冷卻，便可獲得這種新形狀的暫時形狀。如果加熱到形狀記憶復(fù)合材料的恢復(fù)溫度，材料便會釋放存儲的應(yīng)力能轉(zhuǎn)變?yōu)樵瓉淼挠谰米冃?，即展開狀態(tài)。具體操作過程為在地面將充氣剛化太空結(jié)構(gòu)加熱到材料形狀記憶溫度以上，使材料變?nèi)彳浐笳郫B打包后冷卻，發(fā)射升空到達(dá)預(yù)定軌道后，對充氣剛化太空結(jié)構(gòu)加熱，到形狀記憶復(fù)合材料的恢復(fù)溫度，充氣展開，充氣剛化太空結(jié)構(gòu)展開到達(dá)預(yù)定形狀后，停止加熱，當(dāng)充氣剛化太空結(jié)構(gòu)溫度低于材料的形狀記憶恢復(fù)溫度后，充氣剛化太空結(jié)構(gòu)即表現(xiàn)出剛性。其它組成及連接關(guān)系與具體實(shí)施方式

一相同。
具體實(shí)施方式

四結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的加熱層3由聚酰亞胺薄膜與金屬箔或金屬細(xì)絲復(fù)合制成。加熱層3為展開提供合適的溫度，在充氣剛化太空結(jié)構(gòu)展開時，嵌入的加熱層3先把復(fù)合薄膜加熱到形狀記憶恢復(fù)溫度，輔以充氣，充氣剛化太空結(jié)構(gòu)就會逐漸展開，然后再冷卻剛化。加熱層3的加熱是可控的、可預(yù)測的，加熱層3需要的能量來自于航天器的電源。其它組成及連接關(guān)系與具體實(shí)施方式

一相同。
具體實(shí)施方式

五結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的外部隔熱層4由單面或雙面鍍鋁打孔的聚酰亞胺薄膜或聚脂薄膜與滌綸網(wǎng)復(fù)合制成，可隔絕外部太陽的熱量，防止充氣剛化太空結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度超過Tg，導(dǎo)致剛化結(jié)構(gòu)變軟。其它組成及連接關(guān)系與具體實(shí)施方式

一相同。
具體實(shí)施方式

六結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式由從里至外依次疊加在一起的內(nèi)部氣體阻隔層1、可剛化層2、加熱層3、外部隔熱層4組成；所述內(nèi)部氣體阻隔層1選用厚度為25μm的杜邦公司生產(chǎn)的開普坦(Kapton)薄膜；可剛化層2選用雙向編織的3K，T300平紋布作為纖維增強(qiáng)材料，樹脂體系選用形狀記憶聚氨酯，形狀記憶溫度為30～60度，為提高韌性，可以加入占樹脂重量1％～5％的納米蒙脫土或納米二氧化硅，可剛化層2厚度為0.3～0.6mm，可剛化層2的層數(shù)根據(jù)需要確定；加熱層3選用厚度為0.025mm～0.030mm的聚酰亞胺薄膜與金屬箔或金屬細(xì)絲復(fù)合而成的柔性薄膜，加熱層3的制備方法為加熱層3的上下表面選用聚酰亞胺薄膜，將符合電性能要求的金屬箔或金屬細(xì)絲放在兩聚酰亞胺薄膜中間，涂上熱固性膠粘劑，在壓機(jī)上經(jīng)加熱加壓后制備而成。加熱層3的厚度為0.1mm～0.2mm，加熱功率為150～250w/m2，外部隔熱層4采用單雙面鍍鋁打孔的聚酰亞胺薄膜或聚脂薄膜和滌綸網(wǎng)以不同方式層合而成。如此設(shè)置，適合中、小型充氣剛化太空結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施方式

七結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式

六的不同點(diǎn)是本實(shí)施方式的樹脂體系選用形狀記憶環(huán)氧樹脂，形狀記憶溫度為60～120度，加熱層3的加熱功率為350～490w/m2。如此設(shè)置，適合大、中型充氣剛化太空結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種充氣剛化形狀記憶復(fù)合薄膜，它包括由里至外依次疊加在一起的內(nèi)部氣體阻隔層(1)、可剛化層(2)和加熱層(3)；其特征在于它還包括外部隔熱層(4)；所述外部隔熱層(4)疊加在加熱層(3)的外表面上，外部隔熱層(4)至少設(shè)置有兩層，所述可剛化層(2)由形狀記憶復(fù)合材料制成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的充氣剛化形狀記憶復(fù)合薄膜，其特征在于所述內(nèi)部氣體阻隔層(1)由聚酰亞胺薄膜或聚酯薄膜材料制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的充氣剛化形狀記憶復(fù)合薄膜，其特征在于所述形狀記憶復(fù)合材料由形狀記憶聚合物和增強(qiáng)纖維復(fù)合制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的充氣剛化形狀記憶復(fù)合薄膜，其特征在于所述形狀記憶聚合物是形狀記憶聚氨酯、形狀記憶環(huán)氧樹脂、形狀記憶聚酯、交聯(lián)聚乙烯或交聯(lián)聚苯乙烯。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的充氣剛化形狀記憶復(fù)合薄膜，其特征在于所述增強(qiáng)纖維是PBO纖維、碳纖維、芳綸纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維、超高分子量聚乙烯纖維或聚芳酯纖維。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的充氣剛化形狀記憶復(fù)合薄膜，其特征在于所述加熱層(3)由聚酰亞胺薄膜與金屬箔或金屬細(xì)絲復(fù)合制成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的充氣剛化形狀記憶復(fù)合薄膜，其特征在于所述外部隔熱層(4)由單面或雙面鍍鋁打孔的聚酰亞胺薄膜或聚脂薄膜與滌綸網(wǎng)復(fù)合制成。
全文摘要
充氣剛化形狀記憶復(fù)合薄膜，它涉及一種可充氣展開的太空結(jié)構(gòu)用的復(fù)合材料。針對熱固性可剛化復(fù)合材料存在儲存能力差、基體樹脂固化所需能量高、剛化過程不可逆及紫外固化復(fù)合材料存在固化過程難以控制、剛化過程不可逆的問題。本發(fā)明包括由里至外依次疊加在一起的內(nèi)部氣體阻隔層(1)、可剛化層(2)和加熱層(3)；本發(fā)明還包括外部隔熱層(4)；外部隔熱層(4)疊加在加熱層(3)的外表面上，外部隔熱層(4)至少設(shè)置有兩層，可剛化層(2)由形狀記憶復(fù)合材料制成。本發(fā)明可以調(diào)節(jié)形狀記憶溫度，樹脂固化所需能量低、固化過程易控制、剛化過程可逆，可進(jìn)行多次的地面測試，室溫條件下，幾乎可以無限期存儲，不會隨儲存時間增長出現(xiàn)性能下降、硬化條件降低等問題。
文檔編號B32B3/24GK101015973SQ20071007180
公開日2007年8月15日 申請日期2007年2月16日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月16日
發(fā)明者劉宇艷 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)