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1、(10)申请公布号 CN 103332289 A (43)申请公布日 2013.10.02 CN 103332289 A *CN103332289A* (21)申请号 201310245511.5 (22)申请日 2013.06.09 B64C 3/26(2006.01) (71)申请人 哈尔滨工业大学 地址 150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区一匡 街 2 号 A 栋 (72)发明人 陈善搏 刘彦菊 张志春 冷劲松 (54) 发明名称 一种形状记忆聚合物变刚度蒙皮 (57) 摘要 本发明涉及一种形状记忆聚合物变刚度蒙 皮， 包括多根形状记忆聚合物变刚度管， 多根形状 记忆聚合物变刚度管沿轴线。
2、方向并列排列并镶嵌 在柔性硅橡胶基体内 ； 所述的形状记忆聚合物变 刚度管由增强纤维材料编织缠绕成管状， 增强纤 维材料外包裹有形状记忆聚合物。本发明的蒙皮 具有在外界刺激条件下改变自身刚度的能力， 主 要应用于航空领域。本发明的蒙皮改善了单纯以 橡胶为蒙皮材料带来的机翼整体承载能力低的缺 点， 本发明蒙皮变刚度前后保持了蒙皮表层的光 滑性和连续性， 变刚度过程中对驱动能的要求低。 本发明可根据外界载荷的变化， 蒙皮结构局部或 整体地改变其本身的刚度， 使机翼快速有效地达 到最佳飞行状态。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识。
3、产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书3页 附图1页 (10)申请公布号 CN 103332289 A CN 103332289 A *CN103332289A* 1/1 页 2 1. 一种形状记忆聚合物变刚度蒙皮， 其特征在于 ： 包括多根形状记忆聚合物变刚度 管， 多根形状记忆聚合物变刚度管沿轴线方向并列排列并镶嵌在柔性硅橡胶基体内 ； 所述 的形状记忆聚合物变刚度管由增强纤维材料编织缠绕成管状， 增强纤维材料外包裹有形状 记忆聚合物。 2. 根据权利要求 1 所述的一种形状记忆聚合物变刚度蒙皮， 其特征在于 ： 所述的形状 记忆聚合物为苯乙烯系形状记忆聚合物、 环氧树脂系形。
4、状记忆聚合物、 氰酸酯系形状记忆 聚合物、 形状记忆聚氨酯、 形状记忆聚酯、 形状记忆苯乙烯 - 丁二烯共聚物、 形状记忆反式 聚异戊二烯或形状记忆聚降冰片烯中的一种。 3. 根据权利要求 1 所述的一种形状记忆聚合物变刚度蒙皮， 其特征在于 ： 所述的增强 纤维材料为玻璃纤维增强相材料、 碳纤维增强相材料、 Kevlar 纤维或形状记忆合金丝中的 一种或几种混合。 4. 根据权利要求 1 所述的一种形状记忆聚合物变刚度蒙皮， 其特征在于 ： 所述的柔性 硅橡胶基体材料为有机硅胶、 无机硅胶、 硅橡胶或橡胶材料中的一种或几种混合。 5. 根据权利要求 1 所述的一种形状记忆聚合物变刚度蒙皮， 。
5、其特征在于 ： 所述的柔性 硅橡胶基体为多层， 每层都包括多根形状记忆聚合物变刚度管矩阵排列并镶嵌在柔性硅橡 胶基体内。 6. 根据权利要求 5 所述的一种形状记忆聚合物变刚度蒙皮， 其特征在于 ： 所述的柔性 硅橡胶基体为 3 层， 第一层都包括多根形状记忆聚合物变刚度管沿 -60排列， 第二层都包 括多根形状记忆聚合物变刚度管沿 0排列， 第三层都包括多根形状记忆聚合物变刚度管 沿 60排列。 权 利 要 求 书 CN 103332289 A 2 1/3 页 3 一种形状记忆聚合物变刚度蒙皮 技术领域 0001 本发明涉及一种形状记忆聚合物变刚度蒙皮。 背景技术 0002 形状记忆聚合物由。
6、于可用于医学、 航天、 智能控制等领域， 因此受到了越来越多的 重视。 形状记忆聚合物材料在一定条件作用下能够主动产生高达100的大回复变形， 因此 在智能主动变形结构研究领域显示出巨大的应用潜力。 形状记忆聚合物按激励形式的不同 可分为热致、 电致、 光致和溶液驱动等类型。其中， 热致型形状记忆聚合物具有激励形式简 单、 可回复形变量大和响应速度快等优点， 是研究最为广泛和深入的。 热致形状记忆聚合物 的热 - 机械变形过程 ： 在玻璃化转变温度 Tg 以上， 对形状记忆聚合物 ( 起始态 ) 施加外力 使其变形 ； 在保持外界约束的前提下， 使其降温至 Tg 以下一定温度， 撤去外界约束，。
7、 所赋变 形能被长期保持下来 ( 变形态 ) ； 当再次加热至玻璃化转变温度以上时， 形状记忆聚合物能 自动发生形状回复 ( 回复态 )。至此， 完成 “记忆起始态固定变形态恢复起始态” 的变 形循环。 0003 由形状记忆聚合物及特殊纤维缠绕而成的变刚度管不仅具有形状记忆聚合物的 记忆性能而且比纯形状记忆聚合物做成的管刚度更大， 韧性更好， 是非常好的工程材料。 变 刚度管是利用纤维缠绕机通过数字电脑控制， 采用湿法纤维缠绕方式进行加工得到的。其 特性是在玻璃化转变温度之下时可以保持一个较大的刚度， 当对管子加热达到玻璃化转变 温度后， 管子刚度急剧缩小， 在外力的作用下可以实现非常大的变形。
8、， 当撤去外力后持续加 热则管子可以回复到原来的形态， 从而通过加热实现了刚度的变化， 由这种管子制成的复 合材料可应用于各种需要改变刚度和变形能力的领域。 0004 机翼要实现其弦长、 展长、 后掠角和面积等的大幅度变化， 蒙皮必须能够承受足够 大的变形， 且在变形过程中要有足够的面外刚度来维持机翼的气动外形， 同时在变形过程 中蒙皮材料的面内刚度要尽可能的小以减少驱动器对能量的要求。 由形状记忆复合材料变 刚度管及柔性基体材料组成的复合材料柔性蒙皮不仅可以满足蒙皮的承载能力， 而且可以 根据外界条件的变化改变自身刚度， 从而可以应用于变体飞行器机翼等其他需要改变自身 刚度的装置的设计中， 。
9、应用前景十分巨大。 发明内容 0005 本发明的目的在于公开一种形状记忆聚合物变刚度蒙皮， 属于一种复合材料蒙 皮， 主要用于航空领域， 可在外界条件刺激下改变自身刚度的复合材料蒙皮。 0006 本发明所采用的技术如下 ： 0007 一种形状记忆聚合物变刚度蒙皮， 包括多根形状记忆聚合物变刚度管， 多根形状 记忆聚合物变刚度管沿轴线方向并列排列并镶嵌在柔性硅橡胶基体内 ； 所述的形状记忆聚 合物变刚度管由增强纤维材料编织缠绕成管状， 增强纤维材料外包裹有形状记忆聚合物。 0008 本发明还具有如下特征 ： 说 明 书 CN 103332289 A 3 2/3 页 4 0009 1、 所述的形状。
10、记忆聚合物为苯乙烯系形状记忆聚合物、 环氧树脂系形状记忆聚合 物、 氰酸酯系形状记忆聚合物、 形状记忆聚氨酯、 形状记忆聚酯、 形状记忆苯乙烯 - 丁二烯 共聚物、 形状记忆反式聚异戊二烯或形状记忆聚降冰片烯中的一种。 0010 2、 所述的增强纤维材料为玻璃纤维增强相材料、 碳纤维增强相材料、 Kevlar 纤维 或形状记忆合金丝中的一种或几种混合。 0011 3、 所述的柔性硅橡胶基体材料为有机硅胶、 无机硅胶、 硅橡胶或橡胶材料中的一 种或几种混合。 0012 4、 所述的柔性硅橡胶基体为多层， 每层都包括多根形状记忆聚合物变刚度管矩阵 排列并镶嵌在柔性硅橡胶基体内。 0013 5、 如。
11、上所述的一种形状记忆聚合物变刚度蒙皮， 柔性硅橡胶基体为 3 层， 第一层 都包括多根形状记忆聚合物变刚度管沿 -60排列， 第二层都包括多根形状记忆聚合物变 刚度管沿 0排列， 第三层都包括多根形状记忆聚合物变刚度管沿 60排列。 0014 本发明得到的一种形状记忆聚合物变刚度蒙皮具有在外界刺激条件下改变自身 刚度的能力， 主要应用于航空领域， 也可应用于航天、 机械、 导弹及其他需要改变刚度和变 形能力的领域。 0015 本发明有以下有益效果 ： 本发明的蒙皮结构改善了传统机翼结构复杂、 功能受限、 效率较低， 难以适应较广范围飞行条件变化的劣势， 改善了单纯以橡胶为蒙皮材料带来的 机翼整。
12、体承载能力低的缺点， 本发明蒙皮变刚度前后保持了蒙皮表层的光滑性和连续性， 变刚度过程中对驱动能的要求低。本发明可根据外界载荷的变化， 蒙皮结构局部或整体地 改变其本身的刚度， 使机翼快速有效地达到最佳飞行状态。 附图说明 0016 图 1 为形状记忆聚合物变刚度管的结构示意图 ； 0017 图 2 为形状记忆聚合物变刚度蒙皮结构示意图 ； 0018 图 3 为 3 层柔性硅橡胶基体为的形状记忆聚合物变刚度蒙皮结构示意图 ； 0019 其中 1、 增强纤维， 2、 纤维缠绕角度， 3、 纤维缠绕层， 4、 柔性基体， 5、 形状记忆聚合 物变刚度管。 具体实施方式 0020 下面根据说明书附图。
13、举例对本发明作进一步说明 ： 0021 实施例 1 ： 0022 如图 1-2 所示， 一种形状记忆聚合物变刚度蒙皮， 包括多根形状记忆聚合物变刚 度管， 多根形状记忆聚合物变刚度管沿轴线方向并列排列并镶嵌在柔性硅橡胶基体内 ； 所 述的形状记忆聚合物变刚度管由增强纤维材料编织缠绕成管状， 增强纤维材料外包裹有形 状记忆聚合物。复合材料变刚度管是增强相， 硅橡胶充当基体。该复合材料蒙皮通过常温 固化得到。 本实施方式所加工的变刚度蒙皮是由形状记忆聚合物变刚度管及柔性硅橡胶基 体材料组成。所用的柔性硅橡胶基体材料为有机硅胶， 无机硅胶， 硅橡胶， 橡胶材料中的一 种或几种。本实施方式所加工的变刚。
14、度蒙皮中包含的增强相 ( 变刚度管 ) 的数量不限， 间 隔的距离不限。所述的形状记忆聚合物为苯乙烯系形状记忆聚合物、 环氧树脂系形状记忆 说 明 书 CN 103332289 A 4 3/3 页 5 聚合物、 氰酸酯系形状记忆聚合物、 形状记忆聚氨酯、 形状记忆聚酯、 形状记忆苯乙烯 - 丁 二烯共聚物、 形状记忆反式聚异戊二烯或形状记忆聚降冰片烯中的一种。所述的增强纤维 材料为玻璃纤维增强相材料、 碳纤维增强相材料、 Kevlar 纤维或形状记忆合金丝中的一种 或几种混合。 0023 实施例 2 ： 0024 本实施方式所加工的变刚度管的具体变刚度过程为 ： 当复合材料蒙皮在玻璃化转 变温。
15、度之下时可以保持一个较大的刚度， 此时对复合材料管进行适当刺激 ( 热刺激、 磁刺 激、 电刺激、 光刺激等 )， 当达到某一程度以后， 即达到复合材料蒙皮自身的玻璃化转变状态 后， 复合材料蒙皮的刚度开始发生转变， 由于形状记忆聚合物在达到玻璃化转变温度后刚 度会变小， 因此复合材料蒙皮的整体刚度也开始变小， 从而可以满足在外力作用下产生大 变形， 当撤去外力后持续施加刺激则可以使复合材料蒙皮回复到原来的形态， 从而实现了 复合材料蒙皮自身刚度的变化。 0025 实施例 3 ： 0026 如图 3 所示， 一种形状记忆聚合物变刚度蒙皮， 柔性硅橡胶基体为 3 层， 第一层都 包括多根形状记忆。
16、聚合物变刚度管沿 -60排列， 第二层都包括多根形状记忆聚合物变刚 度管沿 0排列， 第三层都包括多根形状记忆聚合物变刚度管沿 60排列。每层蒙皮中各 有 5 根变刚度管。当所有层中均不通热水时， 可得模量 E1， 当所有层中均通入热水时， 可得 模量 E2 ； 当保持其中一角度层 (0层 ) 中不通热水而其他两角度层 (+60及 -60层 ) 中 通入热水时， 可得模量 E3， 类似情况可拓展到 +60及 -60的情况， 得到模量 E4 及 E5 ； 当 保持其中两角度层 (0及 +60 ) 中不通热水而其他一角度层 (-60层 ) 中通入热水时， 可得模量E6， 类似情况可拓展到其他两种方。
17、式， 得到模量E7及E8。 从而得到8种不通模量， 实现了大范围多组合的模量变化。 0027 实施例 4 ： 0028 所述的形状记忆聚合物变刚度管， 由增强纤维材料编织缠绕成管状， 增强纤维材 料外包裹有形状记忆聚合物。其制作方法 ： 采用湿法纤维缠绕方式进行加工， 在缠绕前， 先 将金属芯模加工好， 并在芯模表面进行预处理 ； 之后将芯模安装在纤维缠绕机的主轴上， 调 试纤维缠绕机程序并设定相关参数 ： 缠绕速度、 缠绕半径、 缠绕角度、 纤维预紧力、 起始位置 及终点位置， 将形状记忆聚合物倒在储液槽中， 将增强纤维穿过储液槽系到芯模的起始端， 在缠绕一层以后， 设定封头停留角度， 在纤。
18、维缠绕到芯模尾部时， 纤维沿反方向继续缠绕构 成一个缠绕循环， 从而形成一个局部镂空的管状结构， 通过计算设定缠绕层数或缠绕循环 次数使整个管缠绕至密封， 从而完成了整个变刚度管件的制作， 将加工好的芯模放入炉子 中加热固化， 待固化好后脱模既得到形状记忆聚合物变刚度管。所述的纤维缠绕角度为 10 -70， 缠绕层数大于 2 层。所述的形状记忆聚合物为苯乙烯系形状记忆聚合物、 环氧 树脂系形状记忆聚合物、 氰酸酯系形状记忆聚合物、 形状记忆聚氨酯、 形状记忆聚酯、 形状 记忆苯乙烯 - 丁二烯共聚物、 形状记忆反式聚异戊二烯或形状记忆聚降冰片烯中的一种。 所述的增强纤维材料为玻璃纤维增强相材料、 碳纤维增强相材料、 Kevlar 纤维或形状记忆 合金丝中的一种或几种混合。 说 明 书 CN 103332289 A 5 1/1 页 6 图 1 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 103332289 A 6 。