纤维增强形状记忆复合材料的弯曲大变形行为及其微观调控机制

A carbon fiber reinforced shape memory polymer composite (SMPC) shows the ability in pre-deformation, self-locking, actuation and shape maintaining, which can be used for space deployable structures. In this project, the carbon fiber fabrics reinforced SMPC is used as the research object, the strain energy density function method is employed to analyze the cross-scale correlation between microbuckling and macrostructure deformation, stiffness and damage. Considering the strain energy attenuation of lock state, actuation process of viscoelastic deformation, restoration of microbuckling residual deformation and other practical features, the theoretical method and the testing correction technologies are also used to receive the buckling control mechanism. Based on the theory method, the design principle is established for the SMPC pre-deformation, self-locking, actuation, shape-maintain in each functional stage, and obtain the large strain of the pre-deformation stage, the low rate of spring-back of self-locking stage, the high restoring force during deployment, the low residual deformation rate at the recovered state. Finally, the SMPC beam structure is designed and its prototype is fabricated, and the theory model is verified, which makes the theoretical basis for the flexible solar wing in space.

碳纤维增强形状记忆聚合物复合材料(SMPC)具有预变形、自锁定、展开驱动和展开后形状维持等功能，在空间可展开结构上有着巨大应用前景。本项目以碳纤维斜纹布增强SMPC为研究对象，采用无量纲的应变能密度函数法等方法，分析微观屈曲与宏观结构的变形、刚度和损伤之间的跨尺度关联。考虑自锁定状态的应变能衰减、展开驱动过程的粘弹性变形、回复状态的微屈曲变形残余等多种实际特性，通过理论方法及试验修正技术，得到微屈曲对SMPC宏观功能特性的调控机制。基于理论方法，建立SMPC预变形/锁定/驱动/固形各个功能阶段的设计方法，获得预变形阶段的大应变、自锁紧阶段的低回弹率、展开驱动阶段的高回复力、展开后固形阶段的低残留变形率等优化性能参数。最后，开展SMPC可折展豆荚杆式梁结构的设计及样机研制，试验验证弯曲变形理论对结构展开性能的预报准确度，为其在空间可展开柔性太阳翼上的应用积累理论基础。

碳纤维增强形状记忆聚合物复合材料(SMPC)具有预变形、自锁定、展开驱动和展开后形状维持等功能，在空间可展开结构上有着巨大应用前景。本项目针对SMPC的弯曲大变形行为及其微观调控机制，采用了无量纲的应变能密度函数法等方法，得到了微观屈曲与宏观结构的变形、刚度和损伤之间的跨尺度关联的关系。研究了纤维增强SMPC大挠度弯曲过程中面外屈曲和面内屈曲的力学行为和损伤机理，得到了纤维屈曲关键参数的表达式，定量分析了材料参数和尺寸参数对损伤模式和临界损伤曲率的影响。考虑了变形过程基体树脂应变能的衰减，基于能量法和变分法，建立了单轴压缩载荷作用下SMPC纤维微屈曲力学模型，并将其推广至粘弹性树脂基体复合材料。理论研究并实验验证了多种SMPC可展开复杂曲面结构在预变形、自锁紧、驱动、固形等过程中的关键力学特性。基于理论研究结果，得到了SMPC“微观变形-宏观弯曲曲率-宏观回复驱动力矩”等关键性能及其参量优化关系，形成了无量纲化设计方法及设计程序，并通过设计方法提高了SMPC损伤容限。基于理论和设计方法研究，以SMPC弯曲大变形驱动特性与损伤容限为主要性能优化目标，建立了SMPC复杂曲面板关键参数设计方法。研制了基于碳纤维斜纹布增强SMPC“豆荚杆”结构的柔性太阳能电池结构系统，成功完成了地球同步轨道的在轨展开验证。本项目的研究，可为未来千米级空间太阳能电站及其他超大型航天器的研制积累理论基础和设计方法，将前期大量的基础研究工作实际应用于更多的航天型号，重点应用于百米级空间太阳能帆板、未来千米级空间太阳能电站等。