耐高低温形状记忆聚酰亚胺的合成及空间环境下的性能研究

In order to solve the key technical problems of shape memory materials (SMPs) in the application of the deployable structures in space, this project start from the synthesis of high temperature shape memory polyimides to explore the shape memory behaviors and mechanical properties. Exploring the influence of monomer structure, polymer molecular weight, state of aggregation and degree of crosslinking on shape memory and mechanical properties to reveal the shape memory mechanism of polyimides; The influence of space environment (atomic oxygen, ultraviolet, proton, electron and high and low temperature cycle, etc) on mechanical properties, shape memory properties and endurance properties will be investigated systematacially, which will provide basic date and principle for the design of durable SMPs in space application; Combining the time-temperature equivalence principle and finite element analysis method to construct the constitutive equation of shape memory polyimides to provide theoretical guidance for the application of shape memory polyimides as deployable structure in the future.

本项目针对形状记忆聚合物材料在空间可展开结构应用中面临的关键技术问题，从耐高低温形状记忆聚酰亚胺材料的合成出发，探究聚酰亚胺的形状记忆效应和力学性能。探讨单体分子结构、聚合物分子量、聚集态及交联度等对聚酰亚胺力学性能、形状记忆性能的影响机制，揭示聚酰亚胺形状记忆的内在机理；系统研究空间环境（原子氧、紫外、质子、电子、高低温循环等）对形状记忆聚酰亚胺的主动回复性能，力学性能以及可持续性应用性能等的影响，阐明影响机制及规律，为设计空间耐用的形状记忆聚合物复合材料提供基础数据和设计理念；结合聚合物本身的时温等效性以及有限元分析手段，构建聚酰亚胺形状记忆效应的本构方程，为形状记忆聚酰亚胺在空间可展开结构中的应用提供理论指导。

本项目针对航空航天等特殊环境对高性能形状记忆聚合物材料的迫切需求，以聚酰亚胺为研究对象，系统研究了不同单体分子结构、聚合物分子量、聚集态及交联度等对聚酰亚胺力学性能、形状记忆性能、热稳定性等的影响机制，揭示了热塑性和热固性聚酰亚胺形状记忆的内在机理。通过实验和理论模型建立提出热塑性聚酰亚胺具有形状记忆性能是由于分子链间的π-π相互作用以及分子链间的相互缠结作为固定相，玻璃化转变作为可逆相。而热固性聚酰亚胺的形状记忆性能主要借助于化学交联点作为固定相，玻璃化转变作为可逆相。为进一步提高聚酰亚胺的形状记忆性能以及耐温、耐候性，在聚酰亚胺的骨架结构中以共聚或共混的方式引入了含有恶唑的刚性单元，发现聚酰亚胺的形状记忆性能，机械性能以及耐热等性能明显增强，同时具有多段形状记忆性能，进一步验证了提出的聚酰亚胺形状记忆效应的机理。另外，系统考察了空间原子氧辐照、紫外辐照、质子辐照、电子辐照、高低温循环对聚酰亚胺热机械性能，形状回复性能以及力学性能的影响，阐明了影响机制及规律，为设计空间耐用的形状记忆聚合物复合材料提供了基础数据和设计思路。