專利名稱：形狀記憶復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及形狀記憶材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著人類對(duì)太空資源利用的不斷深入研究，需要更大型空間裝置或結(jié)構(gòu)。 如近期和將來航天器都要使用大型結(jié)構(gòu)和組件(空間科學(xué)天文臺(tái)、天線、太陽 能電池陣等)。但這些大型空間裝置和結(jié)構(gòu)直接運(yùn)載困難，所以這些裝置、結(jié) 構(gòu)及組件需要用輕質(zhì)、可折疊封裝、并能在空間軌道上展開的材料制備。
目前空間研究主要使用熱塑性形狀記憶聚合物作為大型太空裝置、結(jié)構(gòu)或 部件，但是熱塑性形狀記憶聚合物存在力學(xué)性能和耐環(huán)境性能差，承受載荷小 的缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決目前以熱塑性形狀記憶聚合物作為大型太空裝 置、結(jié)構(gòu)或部件在力學(xué)性能和耐環(huán)境性能差，承受載荷小的缺陷，而提供的形 狀記憶復(fù)合材料及其制備方法。
本發(fā)明形狀記憶復(fù)合材料按質(zhì)量份數(shù)比包括60~85份的熱固性樹脂和 15 40份的纖維材料；所述的熱固性樹脂按重量份數(shù)比由.15.17 22.75份對(duì)對(duì)-二氨基-二苯-甲烷和100份環(huán)氧樹脂E-51制成。
上述形狀記憶復(fù)合材料按以下步驟制備 一、按重量份數(shù)比將15.17~22.75 份對(duì)對(duì)-二氨基-二苯-甲烷放于104'C的環(huán)境中熔融，然后與100份104'C的環(huán) 氧樹脂E-51混合均勻，制成熱固性樹脂；二、按質(zhì)量份數(shù)比將60 85份熱固 性樹脂均勻涂覆于15 40份纖維材料表面，再置于8(TC條件下加熱烘干20min; 三、將步驟二烘干后的材料升溫至80。C，并在溫度為80。C、壓力為3MPa的 條件下熱壓lh或者在溫度為80°C、壓力為6MPa的條件下熱壓2h，然后升溫 至15(TC并在6MPa的條件下熱壓3h，再自然降溫至室溫；既得到形狀記憶復(fù) 合材料。
本發(fā)明另一種形狀記憶復(fù)合材料按質(zhì)量份數(shù)比包括60~85份的熱固性樹 脂和15~40份的纖維材料；所述的熱固性樹脂按重量份數(shù)比由82份環(huán)氧樹脂
E-51、 18份聚丙二醇二縮水甘油醚和14.15份對(duì)對(duì)-二氨基-二苯-甲垸制成。
上述形狀記憶復(fù)合材料按以下步驟制備 一、按重量份數(shù)比將14.15份對(duì) 對(duì)-二氨基-二苯-甲烷放于104。C的環(huán)境中熔融，然后與82份104'C的環(huán)氧樹脂 E-51混合均勻，再加入18份聚丙二醇二縮水甘油醚，制成熱固性樹脂；二、 按質(zhì)量份數(shù)比將60~85份熱固性樹脂均勻涂覆于15~40份纖維材料表面；三、 將表面涂覆熱固性樹脂的纖維材料，然后置于8(TC的環(huán)境中固化3h，再置于 15(TC的環(huán)境中固化3h，既得到形狀記憶復(fù)合材料。
本發(fā)明形狀記憶復(fù)合材料具有良好的力學(xué)性能(拉伸強(qiáng)度為142 400MPa) 和耐環(huán)境性能(耐濕、耐熱和耐腐蝕性)，2g形狀記憶復(fù)合材料承受載荷為 50~60g，在10(TC以上的條件下形狀回復(fù)率高于94.5。/。。
本發(fā)明形狀記憶復(fù)合材料高應(yīng)變破壞率為2.8% 4.4%，高單位模量為 9 30GPa、低密度(1.4 1.6g/cm3)，具有耐環(huán)境特性，能智能機(jī)械變形、貯存 應(yīng)變，是展開結(jié)構(gòu)的理想材料。由于其剛性、輕質(zhì)、力學(xué)性能好，形狀回復(fù)速 率高(可在100 15(TC的條件下1 9min形狀記憶恢復(fù))等優(yōu)點(diǎn)，可作為理想 的大型空間結(jié)構(gòu)材料。本發(fā)明形狀記憶復(fù)合材料恢復(fù)溫度越高，同等時(shí)間內(nèi)形 狀記憶復(fù)合材料形狀回復(fù)率越高。
先將本發(fā)明形狀記憶復(fù)合材料加熱到其所用熱固性樹脂玻璃化溫度以上， 施加外力使其變形，然后再變形狀態(tài)下冷卻，凍結(jié)應(yīng)力，當(dāng)再次加熱時(shí)形狀記 憶復(fù)合材料應(yīng)力釋放，自動(dòng)恢復(fù)到原來的賦型狀態(tài)。本發(fā)明形狀記憶復(fù)合材料 具有優(yōu)異的結(jié)構(gòu)性能和可設(shè)計(jì)性。本發(fā)明形狀記憶復(fù)合材料能夠在地面上進(jìn)行 測試試驗(yàn)，并在發(fā)射前折疊封裝，送上軌道后可以加熱展開；可以有效的降低 發(fā)射風(fēng)險(xiǎn)、提高火箭負(fù)載能力、減少發(fā)射成本和消除空間展開時(shí)的震動(dòng)等問題。
本發(fā)明形狀記憶復(fù)合材料存儲(chǔ)期長，性能穩(wěn)定不存在化學(xué)反應(yīng)、毒性、爆 炸危險(xiǎn)及環(huán)境沖突。
本發(fā)明形狀記憶復(fù)合材料的制備方法簡單，設(shè)備要求低，對(duì)操作人員及環(huán) 境無危害，可采用現(xiàn)有的復(fù)合材料成型工藝。


圖1是具體實(shí)施方式
十三所制備出的纖維材料含量不同的形狀記憶復(fù)合材 料的形狀回復(fù)率，"□"柱表示纖維材料質(zhì)量占形狀記憶復(fù)合材料質(zhì)量20%的
形狀記憶復(fù)合材料的形狀回復(fù)率，"B"柱表示纖維材料質(zhì)量占形狀記憶復(fù)合
材料質(zhì)量30%的形狀記憶復(fù)合材料的形狀回復(fù)率，"■"柱表示纖維材料質(zhì)量 占形狀記憶復(fù)合材料質(zhì)量40%的形狀記憶復(fù)合材料的形狀回復(fù)率；圖2是具體 實(shí)施方式二十二所制備出的纖維材料含量不同的形狀記憶復(fù)合材料的形狀回 復(fù)率，"□"柱表示纖維材料質(zhì)量占形狀記憶復(fù)合材料質(zhì)量20%的形狀記憶復(fù) 合材料的形狀回復(fù)率，"Q "柱表示纖維材料質(zhì)量占形狀記憶復(fù)合材料質(zhì)量30% 的形狀記憶復(fù)合材料的形狀回復(fù)率，"■"柱表示纖維材料質(zhì)量占形狀記憶復(fù) 合材料質(zhì)量40%的形狀記憶復(fù)合材料的形狀回復(fù)率。
具體實(shí)施例方式
具體實(shí)施方式
一本實(shí)施方式形狀記憶復(fù)合材料按質(zhì)量份數(shù)比由60~85 份的熱固性樹脂和15~40份的纖維材料制成；所述的熱固性樹脂按重量份數(shù)比 由15.17~22.75份對(duì)對(duì)-二氨基-二苯-甲垸和100份環(huán)氧樹脂E-51制成。
具體實(shí)施方式
二本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同點(diǎn)是形狀記憶復(fù)
合材料按質(zhì)量份數(shù)比還包括1~6份增強(qiáng)劑，增強(qiáng)劑為納米Si02、納米蒙脫土 或多面體低聚硅倍半氧烷。其它與實(shí)施方式一相同。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同點(diǎn)是纖維材料為
碳纖維、芳綸纖維或聚苯并雙噁唑纖維(PBO纖維)。其它與實(shí)施方式一相同。
本實(shí)施方式纖維材料的纖維可以是織物、單向長纖維或短切纖維。
具體實(shí)施方式
四本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同點(diǎn)是形狀記憶復(fù)
合材料按質(zhì)量份數(shù)比由65~80份的熱固性樹脂和20~35份的纖維材料制成。其 它與實(shí)施方式一相同。
具體實(shí)施方式
五本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同點(diǎn)是形狀記憶復(fù) 合材料按質(zhì)量份數(shù)比由70~75份的熱固性樹脂和25~30份的纖維材料制成。其 它與實(shí)施方式一相同。
具體實(shí)施方式
六本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同點(diǎn)是形狀記憶復(fù)
合材料按質(zhì)量份數(shù)比由70 80份的熱固性樹脂、20~30份的纖維材料和2~3份 增強(qiáng)劑制成。其它與實(shí)施方式一相同。 '
具體實(shí)施方式
七本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同點(diǎn)是熱固性樹脂 按重量份數(shù)比由18~20份對(duì)對(duì)-二氨基-二苯-甲烷和100份環(huán)氧樹脂E-51制成。
其它與實(shí)施方式一相同。
具體實(shí)施方式
八本實(shí)施方式形狀記憶復(fù)合材料按以下步驟制備 一、按
重量份數(shù)比將15.17~22.75份對(duì)對(duì)-二氨基-二苯-甲烷放于104'C的環(huán)境中熔融， 然后與IOO份104'C的環(huán)氧樹脂E-51混合均勻，制成熱固性樹脂；二、按質(zhì) 量份數(shù)比將60 85份熱固性樹脂均勻涂覆于15~40份纖維材料表面，再置于 80。C條件下加熱烘干20min;三、將步驟二烘干后的材料升溫至80°C ，并在溫 度為80°C、壓力為3MPa的條件下熱壓lh或者在溫度為80°C、壓力為6MPa 的條件下熱壓2h，然后升溫至150'C并在6MPa的條件下熱壓3h，再自然降 溫至室溫；既得到形狀記憶復(fù)合材料。
本實(shí)施方式制備出的形狀記憶復(fù)合材料還可通過控制恢復(fù)溫度達(dá)到控制 形狀恢復(fù)比率，達(dá)到形狀記憶復(fù)合材料形狀的控制。
具體實(shí)施方式
九本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
八的不同點(diǎn)是在步驟一熱 固性樹脂中還加入1 6份增強(qiáng)劑。其它步驟及參數(shù)與實(shí)施方式八相同。
本實(shí)施方式增強(qiáng)劑為納米Si02、納米蒙脫土或多面體低聚硅倍半氧烷，增 強(qiáng)劑可以增加形狀記憶復(fù)合材料的力學(xué)強(qiáng)度。
具體實(shí)施方式
十本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
八的不同點(diǎn)是步驟三中從
8(TC升溫150'C按120°C/h的速度升溫。其它步驟及參數(shù)與實(shí)施方式八相同。
具體實(shí)施方式
十一本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
八的不同點(diǎn)是步驟一中 按重量份數(shù)比將16~21份對(duì)對(duì)-二氨基-二苯-甲烷放于10(C的環(huán)境中熔融。其
它步驟及參數(shù)與實(shí)施方式八相同。
具體實(shí)施方式
十二本實(shí)施方式形狀記憶復(fù)合材料按以下步驟制備一、 按重量份數(shù)比將15.17份對(duì)對(duì)-二氨基-二苯-甲烷放于104。C的環(huán)境中熔融，然 后與IOO份104-C的環(huán)氧樹脂E-51混合均勻，制成熱固性樹脂；二、按質(zhì)量 份數(shù)比將80份熱固性樹脂均勻涂覆于20份Kevlar纖維表面，再置于80。C條 件下加熱烘干20min;三、將步驟二烘干后的材料升溫至80°C，并在溫度為 80°C、壓力為3MPa的條件下熱壓lh，然后升溫至150。C并在6MPa的條件下 熱壓3h，再自然降溫至室溫；既得到形狀記憶復(fù)合材料。
本實(shí)施方式中Kevlar纖維是購自于杜邦纖維(中國)有限公司。本實(shí)施方 式步驟二中在SO。C條件下加熱烘干加min可以有效的使纖維表面熱固性樹脂
中的氣泡溢出。 .
將本實(shí)施方式制備出的形狀記憶復(fù)合材料在IO(TC加熱3分鐘，再在100 。C溫度下將其折疊成半徑為15mm的U型，并保持外力作用狀態(tài)迅速冷卻到 室溫，然后撤去外力，再將冷卻后的形狀記憶復(fù)合材料加熱到IO(TC，本實(shí)施 方式制備出的形狀記憶復(fù)合材料在IOO'C環(huán)境中的形狀回復(fù)率為97.8%，時(shí)間 為190s。
具體實(shí)施方式
十三本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
十二的不同點(diǎn)是步驟二
中按質(zhì)量份數(shù)比分別將80份熱固性樹脂均勻涂覆于20份Kevlar纖維表面， 將70份熱固性樹脂均勻涂覆于30份Kevlar纖維表面，將60份熱固性樹脂均 勻涂覆于40份Kevlar纖維表面。其它步驟及參數(shù)與實(shí)施方式十二相同。.
將本實(shí)施方式制備出的纖維材料含量不同的形狀記憶復(fù)合材料在IO(TC加 熱3分鐘，再在IOO"C溫度下將其折疊成半徑為15mm的U型，并保持外力作 用狀態(tài)迅速冷卻到室溫，然后撤去外力，再將冷卻后的形狀記憶復(fù)合材料加熱 到IOO'C，本實(shí)施方式制備出的纖維材料含量不同的形狀記憶復(fù)合材料在100 "環(huán)境中，190s的時(shí)間內(nèi)的形狀回復(fù)率如圖1所示。
具體實(shí)施方式
十四本實(shí)施方式形狀記憶復(fù)合材料按質(zhì)量份數(shù)比由60~85 份的熱固性樹脂和15~40份的纖維材料制成;所述的熱固性樹脂按重量份數(shù)比 由82份環(huán)氧樹脂E-51、 18份聚丙二醇二縮水甘油醚和14.15份對(duì)對(duì)-二氨基-二苯-甲垸制成。
具體實(shí)施方式
十五本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
十四的不同點(diǎn)是形狀記 憶復(fù)合材料按質(zhì)量份數(shù)比還包括1 6份增強(qiáng)劑，增強(qiáng)劑為納米Si02、納米蒙 脫土或多面體低聚硅倍半氧烷。其它與實(shí)施方式十四相同。
具體實(shí)施方式
十六本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
十四的不同點(diǎn)是纖維材 料為碳纖維、芳綸纖維或聚苯并雙噁唑纖維(PBO纖維)。其它與實(shí)施方式十
四相同。
本實(shí)施方式纖維材料的纖維可以是織物、單向長纖維或短切纖維。
具體實(shí)施方式
十七本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
十四的不同點(diǎn)是形狀記 憶復(fù)合材料按質(zhì)量份數(shù)比由65~80份的熱固性樹脂和20~35份的纖維材料制 成。其它與實(shí)施方式十四相同。
具體實(shí)施方式
十八本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
十四的不同點(diǎn)是形狀記 憶復(fù)合材料按質(zhì)量份數(shù)比由70~75份的熱固性樹脂和25 30份的纖維材料制 成。其它與實(shí)施方式十四相同。
具體實(shí)施方式
十九本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
十四的不同點(diǎn)是形狀記 憶復(fù)合材料按質(zhì)量份數(shù)比由70-80份的熱固性樹脂、20 30份的纖維材料和 2 3份增強(qiáng)劑制成。其它與實(shí)施方式十四相同。
具體實(shí)施方式
二十本實(shí)施方式形狀記憶復(fù)合材料按以下步驟制備一、 按重量份數(shù)比將14.15份對(duì)對(duì)-二氨基-二苯-甲垸放于104"C的環(huán)境中熔融，然 后與82份104"C的環(huán)氧樹脂E-51混合均勻，再加入18份聚丙二醇二縮水甘 油醚，制成熱固性樹脂；二、按質(zhì)量份數(shù)比將60 85份熱固性樹脂均勻涂覆于 15~40份纖維材料表面;三、將表面涂覆熱固性樹脂的纖維材料，然后置于柳。C 的環(huán)境中固化3h，再置于15(TC的環(huán)境中固化3h，既得到形狀記憶復(fù)合材料。
本實(shí)施方式制備出的形狀記憶復(fù)合材料還可通過控制恢復(fù)溫度達(dá)到控制 形狀恢復(fù)比率，達(dá)到形狀記憶復(fù)合材料形狀的控制。
具體實(shí)施方式
二十一本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
二十的不同點(diǎn)是在步 驟一熱固性樹脂中還加入1 6份增強(qiáng)劑。其它步驟及參數(shù)與實(shí)施方式二十相 同。
本實(shí)施方式增強(qiáng)劑為納米Si02、納米蒙脫土或多面體低聚硅倍半氧烷，增 強(qiáng)劑可以增加形狀記憶復(fù)合材料的力學(xué)強(qiáng)度。
具體實(shí)施方式
二十二本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
二十的不同點(diǎn)是步驟 二中按質(zhì)量份數(shù)比分別將80份熱固性樹脂均勻涂覆于20份Kevlar纖維表面， 將70份熱固性樹脂均勻涂覆于30份Kevlar纖維表面，將60份熱固性樹脂均 勻涂覆于40份Kevlar纖維表面。其它步驟及參數(shù)與實(shí)施方式二十相同。
將本實(shí)施方式制備出的纖維材料含量不同的形狀記憶復(fù)合材料在IO(TC加 熱3分鐘，再在IO(TC溫度下將其折疊成半徑為15mm的U型，并保持外力作 用狀態(tài)迅速冷卻到室溫，然后撤去外力，再將冷卻后的形狀記憶復(fù)合材料加熱 到IOO'C,本實(shí)施方式制備出的纖維材料含量不同的形狀記憶復(fù)合材料在100 "C環(huán)境中，190s的時(shí)間內(nèi)的形狀回復(fù)率如圖2所示。
權(quán)利要求
1、形狀記憶復(fù)合材料，其特征在于形狀記憶復(fù)合材料按質(zhì)量份數(shù)比包括60～85份的熱固性樹脂和15～40份的纖維材料；所述的熱固性樹脂按重量份數(shù)比由15.17～22.75份對(duì)對(duì)-二氨基-二苯-甲烷和100份環(huán)氧樹脂E-51制成。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的形狀記憶復(fù)合材料，其特征在于形狀記憶復(fù)合 材料按質(zhì)量份數(shù)比還包括1 6份增強(qiáng)劑，增強(qiáng)劑為納米Si02、納米蒙脫土或 多面體低聚硅倍半氧烷。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的形狀'記憶復(fù)合材料，其特征在于纖維材料為碳 纖維、芳綸纖維或聚苯并雙噁唑纖維。
4、 如權(quán)利要求1所述形狀記憶復(fù)合材料的制備方法，其特征在于形狀記 憶復(fù)合材料按以下步驟制備 一、按重量份數(shù)比將15.17 22.75份對(duì)對(duì)-二氨基 -二苯-甲烷放于104t:的環(huán)境中熔融，然后與100份104'C的環(huán)氧樹脂E-51混 合均勻，制成熱固性樹脂；二、按質(zhì)量份數(shù)比將60 85份熱固性樹脂均勻涂覆 于15 40份纖維材料表面，再置于80。C條件下加熱烘干20min;三、將步驟二 烘干后的材料升溫至80。C，并在溫度為80。C、壓力為3MPa的條件下熱壓lh 或者在溫度為80°C、壓力為6MPa的條件下熱壓2h，然后升溫至15(TC并在 6MPa的條件下熱壓3h，再自然降溫至室溫；既得到形狀記憶復(fù)合材料。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的形狀記憶復(fù)合材料的制備方法，其特征在于在 步驟一熱固性樹脂中還加入1~6份增強(qiáng)劑。
6、 形狀記憶復(fù)合材料，其特征在于形狀記憶復(fù)合材料按質(zhì)量份數(shù)比包括 60 85份的熱固性樹脂和15 40份的纖維材料；所述的熱固性樹脂按重量份數(shù) 比由82份環(huán)氧樹脂E-51、18份聚丙二醇二縮水甘油醚和14.15份對(duì)對(duì)-二氨基 -二苯-甲烷制成。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的形狀記憶復(fù)合材料，其特征在于形狀記憶復(fù)合 材料按質(zhì)量份數(shù)比還包括1~6份增強(qiáng)劑，增強(qiáng)劑為納米Si02、納米蒙脫土或 多面體低聚硅倍半氧烷。
8、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的形狀記憶復(fù)合材料，其特征在于纖維材料為碳 纖維、芳綸纖維或聚苯并雙噁唑纖維。
9、 如權(quán)利要求6所述形狀記憶復(fù)合材料的制備方法，其特征在于形狀記憶復(fù)合材料按以下步驟制備 一、按重量份數(shù)比將14.15份對(duì)對(duì)-二氨基-二苯-甲烷放于104'C的環(huán)境中熔融，然后與82份104"C的環(huán)氧樹脂E-51混合均勻， 再加入18份聚丙二醇二縮水甘油醚，制成熱固性樹脂；二、按質(zhì)量份數(shù)比將 60 85份熱固性樹脂均勻涂覆于15 40份纖維材料表面；三、將表面涂覆熱固 性樹脂的纖維材料，然后置于80'C的環(huán)境中固化3h，再置于15(TC的環(huán)境中 固化3h，既得到形狀記憶復(fù)合材料。
10、根據(jù)權(quán)利要求9所述的形狀記憶復(fù)合材料的制備方法，其特征在于在 歩驟一熱固性樹脂中還加入1 6份增強(qiáng)劑。
全文摘要
形狀記憶復(fù)合材料及其制備方法，它涉及形狀記憶材料及其制備方法。它解決了目前以熱塑性形狀記憶聚合物作為大型太空裝置、結(jié)構(gòu)或部件在力學(xué)性能和耐環(huán)境性能差，承受載荷小的缺陷。形狀記憶復(fù)合材料包括形狀記憶熱固性樹脂和纖維材料。制備方法一、制熱固性樹脂；二、涂覆纖維材料；三、固化成型。本發(fā)明形狀記憶復(fù)合材料具有良好的力學(xué)性能和耐環(huán)境性能，承受載荷達(dá)50～60g，100℃以上條件下形狀回復(fù)率高于94.5％。
文檔編號(hào)C08L63/00GK101186742SQ20071014459
公開日2008年5月28日 申請(qǐng)日期2007年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月14日
發(fā)明者萬志敏, 劉宇艷, 杜星文, 譚惠豐 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)