展开结构用形状记忆环氧复合材料的制备及性能研究

摘要

本文针对展开结构用形状记忆环氧树脂耐多次折叠展开、形变能力强、形变回复率高的要求，本论文在体系中引入聚丙二醇二缩水甘油醚（PPGDGE）或具有柔性链段的单胺固化剂来调控环氧树脂的网络结构，构建了三种脂肪胺固化的形状记忆环氧体系，评价了树脂体系的固化动力学、玻璃化转变温度、交联密度、拉伸性能及形状记忆性能。建立了粘弹性理论模型并对环氧复合材料展开结构的形状记忆过程进行有限元模拟，讨论了展开过程中各关键参数的变化和对展开过程的影响。
　　本研究主要内容包括：⑴采用三乙烯四胺（TETA）作为固化剂，制备出E51-TETA形状记忆环氧树脂体系，通过调控TETA比例改变固定相的交联程度，确定交联密度适中的ET-80%体系具有最佳的形状记忆性能。进一步在体系中引入柔性PPGDGE，制备出 E51-TETA-PPGDGE形状记忆环氧树脂体系，提出了 E51-TETA-PPGDGE的反应机理。采用差示扫描量热分析方法建立了树脂体系的固化动力学方程，等转化率法分析表明在E51-TETA中引入PPGDGE后树脂体系的活化能降低。结合esták-Berggren方法以及模型拟合反应动力学分析法，证明自催化动力学方程能够很好地描述E51-TETA-PPGDGE体系的固化反应。动态力学分析表明随PPGDGE含量增加，体系玻璃化转变温度降低，损耗因数峰高增加，半峰宽增大，说明PPGDGE有利于提高体系的韧性。加入15% PPGDGE的体系综合性能最好，折叠-展开循环次数可达13次。⑵分别采用正辛胺、十二胺、十六胺与TETA作为共固化剂制备出E51-TETA-单胺形状记忆环氧体系，对各体系的固化动力学、玻璃化转变温度、交联密度、动态力学性能、拉伸性能及形状记忆性能进行了研究。发现：随单胺含量增加，体系交联密度减小，固定相含量降低，导致形变固定率减小；维持单胺含量不变，随烷基链长增加，体系交联密度变化不大，玻璃化转变温度降低，分子链在内应力的释放过程中运动能力增加，导致形变回复速率增大。综合考虑拉伸性能和形状记忆性能，确定的最佳体系为ETM8-50%，其形变固定率大于98.0%，形变回复率为100.0%，最大折叠-展开循环次数为16次。⑶分别以ET-80%、ETP-15%和ETM8-50%为基体，制备了芳纶纤维和碳纤维增强形状记忆环氧复合材料。结果表明纤维增强后体系的形变固定率明显下降，芳纶纤维增强体系的形变固定率高于碳纤维增强体系。随复合材料体系中环氧树脂含量的提高，形变固定率增加。当各体系树脂含量大于40%时，形变固定率均在96.0%以上，能够满足空间展开结构应用需求。制备了环氧复合材料形状记忆展开臂和天线支撑环，验证了材料应用于空间展开结构时具有良好的展开性能，能够满足展开结构的需求。⑷采用形状记忆环氧树脂复合材料制备了平板、曲片和圆管状的展开结构，进行形状记忆折叠-展开实验。建立了粘弹性理论模型并采用 ABAQUS软件对复合材料展开结构的形状记忆展开过程进行模拟。结果表明，基于粘弹性理论的有限元模型能够模拟出各种形状展开结构的完整展开过程。采用的有限元模型可以描述展开结构在形状记忆弯曲过程、降温过程、卸载约束过程以及加热形状回复过程中的展开角度、轴向应力和轴向应变随温度的变化情况。有限元模拟结果显示，粘弹性材料的长期剪切模量和瞬态松弛模量对形状记忆性能有较大影响，但瞬态松弛模量对展开过程中的应变及展开速率几乎无影响。材料的松弛时间直接影响回复过程的展开速率，松弛时间越长，展开结构形状回复所需的时间越长。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 空间展开结构的发展现状

1.3 形状记忆聚合物的研究进展

1.4 本文的主要研究内容

第2章 实验原料及方法

2.1 实验原料及仪器设备

2.2 材料制备方法

2.3 表征方法

第3章 E51-TETA-PPGDGE形状记忆环氧体系研究

3.1 E51-TETA-PPGDGE体系的固化反应机理分析

3.2 E51-TETA形状记忆环氧体系性能研究

3.3 E51-TETA-PPGDGE形状记忆环氧体系性能研究

3.4 本章小结

第4章 E51-TETA-单胺形状记忆环氧体系研究

4.1 E51-TETA-单胺体系固化制度的确定

4.2 E51-TETA-单胺体系的玻璃化转变温度

4.3 E51-TETA-单胺体系的活化能

4.4 E51-TETA-单胺体系固化反应动力学研究

4.5 E51-TETA-单胺体系的动态力学性能分析

4.6 E51-TETA-单胺体系的拉伸性能

4.7 E51-TETA-单胺体系形状记忆性能研究

4.8 形状记忆环氧复合材料在展开结构的应用

4.9 本章小结

第5章 环氧复合材料形状记忆展开过程的有限元模拟研究

5.1 形状记忆展开结构的数值模拟分析理论

5.2 形状记忆展开结构的粘弹性参数研究

5.3 本章小结

结论

创新点

展望

参考文献

附录

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

个人简历