專利名稱：形狀記憶復合材料及其制備方法
技術領域：
本發明涉及形狀記憶材料及其制備方法。
背景技術：
隨著人類對太空資源利用的不斷深入研究，需要更大型空間裝置或結構。 如近期和將來航天器都要使用大型結構和組件(空間科學天文臺、天線、太陽 能電池陣等)。但這些大型空間裝置和結構直接運載困難，所以這些裝置、結 構及組件需要用輕質、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、結構或 部件，但是熱塑性形狀記憶聚合物存在力學性能和耐環境性能差，承受載荷小 的缺陷。
發明內容
本發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、結構或部件在力學性能和耐環境性能差，承受載荷小的缺陷，而提供的形 狀記憶復合材料及其制備方法。
本發明形狀記憶復合材料按質量份數比包括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比由.15.17 22.75份對對-二氨基-二苯-甲烷和100份環氧樹脂E-51制成。
上述形狀記憶復合材料按以下步驟制備 一、按重量份數比將15.17~22.75 份對對-二氨基-二苯-甲烷放于104'C的環境中熔融，然后與100份104'C的環 氧樹脂E-51混合均勻，制成熱固性樹脂；二、按質量份數比將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 合材料。
本發明另一種形狀記憶復合材料按質量份數比包括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比由82份環氧樹脂
E-51、 18份聚丙二醇二縮水甘油醚和14.15份對對-二氨基-二苯-甲垸制成。
上述形狀記憶復合材料按以下步驟制備 一、按重量份數比將14.15份對 對-二氨基-二苯-甲烷放于104。C的環境中熔融，然后與82份104'C的環氧樹脂 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、 按質量份數比將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的環境中固化3h，再置于 15(TC的環境中固化3h，既得到形狀記憶復合材料。
本發明形狀記憶復合材料具有良好的力學性能(拉伸強度為142 400MPa) 和耐環境性能(耐濕、耐熱和耐腐蝕性)，2g形狀記憶復合材料承受載荷為 50~60g，在10(TC以上的條件下形狀回復率高于94.5。/。。
本發明形狀記憶復合材料高應變破壞率為2.8% 4.4%，高單位模量為 9 30GPa、低密度(1.4 1.6g/cm3)，具有耐環境特性，能智能機械變形、貯存 應變，是展開結構的理想材料。由于其剛性、輕質、力學性能好，形狀回復速 率高(可在100 15(TC的條件下1 9min形狀記憶恢復)等優點，可作為理想 的大型空間結構材料。本發明形狀記憶復合材料恢復溫度越高，同等時間內形 狀記憶復合材料形狀回復率越高。
先將本發明形狀記憶復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，然后再變形狀態下冷卻，凍結應力，當再次加熱時形狀記 憶復合材料應力釋放，自動恢復到原來的賦型狀態。本發明形狀記憶復合材料 具有優異的結構性能和可設計性。本發明形狀記憶復合材料能夠在地面上進行 測試試驗，并在發射前折疊封裝，送上軌道后可以加熱展開；可以有效的降低 發射風險、提高火箭負載能力、減少發射成本和消除空間展開時的震動等問題。
本發明形狀記憶復合材料存儲期長，性能穩定不存在化學反應、毒性、爆 炸危險及環境沖突。
本發明形狀記憶復合材料的制備方法簡單，設備要求低，對操作人員及環 境無危害，可采用現有的復合材料成型工藝。
圖1是具體實施方式
十三所制備出的纖維材料含量不同的形狀記憶復合材 料的形狀回復率，"□"柱表示纖維材料質量占形狀記憶復合材料質量20%的
形狀記憶復合材料的形狀回復率，"B"柱表示纖維材料質量占形狀記憶復合
材料質量30%的形狀記憶復合材料的形狀回復率，"■"柱表示纖維材料質量 占形狀記憶復合材料質量40%的形狀記憶復合材料的形狀回復率；圖2是具體 實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合材料的形狀回 復率，"□"柱表示纖維材料質量占形狀記憶復合材料質量20%的形狀記憶復 合材料的形狀回復率，"Q "柱表示纖維材料質量占形狀記憶復合材料質量30% 的形狀記憶復合材料的形狀回復率，"■"柱表示纖維材料質量占形狀記憶復 合材料質量40%的形狀記憶復合材料的形狀回復率。
具體實施例方式
具體實施方式
一本實施方式形狀記憶復合材料按質量份數比由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比 由15.17~22.75份對對-二氨基-二苯-甲垸和100份環氧樹脂E-51制成。
具體實施方式
二本實施方式與具體實施方式
一的不同點是形狀記憶復
合材料按質量份數比還包括1~6份增強劑，增強劑為納米Si02、納米蒙脫土 或多面體低聚硅倍半氧烷。其它與實施方式一相同。
具體實施方式
三本實施方式與具體實施方式
一的不同點是纖維材料為
碳纖維、芳綸纖維或聚苯并雙噁唑纖維(PBO纖維)。其它與實施方式一相同。
本實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。
具體實施方式
四本實施方式與具體實施方式
一的不同點是形狀記憶復
合材料按質量份數比由65~80份的熱固性樹脂和20~35份的纖維材料制成。其 它與實施方式一相同。
具體實施方式
五本實施方式與具體實施方式
一的不同點是形狀記憶復 合材料按質量份數比由70~75份的熱固性樹脂和25~30份的纖維材料制成。其 它與實施方式一相同。
具體實施方式
六本實施方式與具體實施方式
一的不同點是形狀記憶復
合材料按質量份數比由70 80份的熱固性樹脂、20~30份的纖維材料和2~3份 增強劑制成。其它與實施方式一相同。 '
具體實施方式
七本實施方式與具體實施方式
一的不同點是熱固性樹脂 按重量份數比由18~20份對對-二氨基-二苯-甲烷和100份環氧樹脂E-51制成。
其它與實施方式一相同。
具體實施方式
八本實施方式形狀記憶復合材料按以下步驟制備 一、按
重量份數比將15.17~22.75份對對-二氨基-二苯-甲烷放于104'C的環境中熔融， 然后與IOO份104'C的環氧樹脂E-51混合均勻，制成熱固性樹脂；二、按質 量份數比將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；既得到形狀記憶復合材料。
本實施方式制備出的形狀記憶復合材料還可通過控制恢復溫度達到控制 形狀恢復比率，達到形狀記憶復合材料形狀的控制。
具體實施方式
九本實施方式與具體實施方式
八的不同點是在步驟一熱 固性樹脂中還加入1 6份增強劑。其它步驟及參數與實施方式八相同。
本實施方式增強劑為納米Si02、納米蒙脫土或多面體低聚硅倍半氧烷，增 強劑可以增加形狀記憶復合材料的力學強度。
具體實施方式
十本實施方式與具體實施方式
八的不同點是步驟三中從
8(TC升溫150'C按120°C/h的速度升溫。其它步驟及參數與實施方式八相同。
具體實施方式
十一本實施方式與具體實施方式
八的不同點是步驟一中 按重量份數比將16~21份對對-二氨基-二苯-甲烷放于10(C的環境中熔融。其
它步驟及參數與實施方式八相同。
具體實施方式
十二本實施方式形狀記憶復合材料按以下步驟制備一、 按重量份數比將15.17份對對-二氨基-二苯-甲烷放于104。C的環境中熔融，然 后與IOO份104-C的環氧樹脂E-51混合均勻，制成熱固性樹脂；二、按質量 份數比將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；既得到形狀記憶復合材料。
本實施方式中Kevlar纖維是購自于杜邦纖維(中國)有限公司。本實施方 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。 .
將本實施方式制備出的形狀記憶復合材料在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迅速冷卻到 室溫，然后撤去外力，再將冷卻后的形狀記憶復合材料加熱到IO(TC，本實施 方式制備出的形狀記憶復合材料在IOO'C環境中的形狀回復率為97.8%，時間 為190s。
具體實施方式
十三本實施方式與具體實施方式
十二的不同點是步驟二
中按質量份數比分別將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。其它步驟及參數與實施方式十二相同。.
將本實施方式制備出的纖維材料含量不同的形狀記憶復合材料在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 用狀態迅速冷卻到室溫，然后撤去外力，再將冷卻后的形狀記憶復合材料加熱 到IOO'C，本實施方式制備出的纖維材料含量不同的形狀記憶復合材料在100 "環境中，190s的時間內的形狀回復率如圖1所示。
具體實施方式
十四本實施方式形狀記憶復合材料按質量份數比由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比 由82份環氧樹脂E-51、 18份聚丙二醇二縮水甘油醚和14.15份對對-二氨基-二苯-甲垸制成。
具體實施方式
十五本實施方式與具體實施方式
十四的不同點是形狀記 憶復合材料按質量份數比還包括1 6份增強劑，增強劑為納米Si02、納米蒙 脫土或多面體低聚硅倍半氧烷。其它與實施方式十四相同。
具體實施方式
十六本實施方式與具體實施方式
十四的不同點是纖維材 料為碳纖維、芳綸纖維或聚苯并雙噁唑纖維(PBO纖維)。其它與實施方式十
四相同。
本實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。
具體實施方式
十七本實施方式與具體實施方式
十四的不同點是形狀記 憶復合材料按質量份數比由65~80份的熱固性樹脂和20~35份的纖維材料制 成。其它與實施方式十四相同。
具體實施方式
十八本實施方式與具體實施方式
十四的不同點是形狀記 憶復合材料按質量份數比由70~75份的熱固性樹脂和25 30份的纖維材料制 成。其它與實施方式十四相同。
具體實施方式
十九本實施方式與具體實施方式
十四的不同點是形狀記 憶復合材料按質量份數比由70-80份的熱固性樹脂、20 30份的纖維材料和 2 3份增強劑制成。其它與實施方式十四相同。
具體實施方式
二十本實施方式形狀記憶復合材料按以下步驟制備一、 按重量份數比將14.15份對對-二氨基-二苯-甲垸放于104"C的環境中熔融，然 后與82份104"C的環氧樹脂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、按質量份數比將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 的環境中固化3h，再置于15(TC的環境中固化3h，既得到形狀記憶復合材料。
本實施方式制備出的形狀記憶復合材料還可通過控制恢復溫度達到控制 形狀恢復比率，達到形狀記憶復合材料形狀的控制。
具體實施方式
二十一本實施方式與具體實施方式
二十的不同點是在步 驟一熱固性樹脂中還加入1 6份增強劑。其它步驟及參數與實施方式二十相 同。
本實施方式增強劑為納米Si02、納米蒙脫土或多面體低聚硅倍半氧烷，增 強劑可以增加形狀記憶復合材料的力學強度。
具體實施方式
二十二本實施方式與具體實施方式
二十的不同點是步驟 二中按質量份數比分別將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。其它步驟及參數與實施方式二十相同。
將本實施方式制備出的纖維材料含量不同的形狀記憶復合材料在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 用狀態迅速冷卻到室溫，然后撤去外力，再將冷卻后的形狀記憶復合材料加熱 到IOO'C,本實施方式制備出的纖維材料含量不同的形狀記憶復合材料在100 "C環境中，190s的時間內的形狀回復率如圖2所示。
權利要求
1、形狀記憶復合材料，其特征在于形狀記憶復合材料按質量份數比包括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比由15.17～22.75份對對-二氨基-二苯-甲烷和100份環氧樹脂E-51制成。
2、 根據權利要求1所述的形狀記憶復合材料，其特征在于形狀記憶復合 材料按質量份數比還包括1 6份增強劑，增強劑為納米Si02、納米蒙脫土或 多面體低聚硅倍半氧烷。
3、 根據權利要求1所述的形狀'記憶復合材料，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、 如權利要求1所述形狀記憶復合材料的制備方法，其特征在于形狀記 憶復合材料按以下步驟制備 一、按重量份數比將15.17 22.75份對對-二氨基 -二苯-甲烷放于104t:的環境中熔融，然后與100份104'C的環氧樹脂E-51混 合均勻，制成熱固性樹脂；二、按質量份數比將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；既得到形狀記憶復合材料。
5、 根據權利要求4所述的形狀記憶復合材料的制備方法，其特征在于在 步驟一熱固性樹脂中還加入1~6份增強劑。
6、 形狀記憶復合材料，其特征在于形狀記憶復合材料按質量份數比包括 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 比由82份環氧樹脂E-51、18份聚丙二醇二縮水甘油醚和14.15份對對-二氨基 -二苯-甲烷制成。
7、 根據權利要求6所述的形狀記憶復合材料，其特征在于形狀記憶復合 材料按質量份數比還包括1~6份增強劑，增強劑為納米Si02、納米蒙脫土或 多面體低聚硅倍半氧烷。
8、 根據權利要求6所述的形狀記憶復合材料，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、 如權利要求6所述形狀記憶復合材料的制備方法，其特征在于形狀記憶復合材料按以下步驟制備 一、按重量份數比將14.15份對對-二氨基-二苯-甲烷放于104'C的環境中熔融，然后與82份104"C的環氧樹脂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、按質量份數比將 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的環境中固化3h，再置于15(TC的環境中 固化3h，既得到形狀記憶復合材料。
10、根據權利要求9所述的形狀記憶復合材料的制備方法，其特征在于在 歩驟一熱固性樹脂中還加入1 6份增強劑。
全文摘要
形狀記憶復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、結構或部件在力學性能和耐環境性能差，承受載荷小的缺陷。形狀記憶復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。本發明形狀記憶復合材料具有良好的力學性能和耐環境性能，承受載荷達50～60g，100℃以上條件下形狀回復率高于94.5％。
文檔編號C08L63/00GK101186742SQ20071014459
公開日2008年5月28日 申請日期2007年11月14日 優先權日2007年11月14日
發明者萬志敏, 劉宇艷, 杜星文, 譚惠豐 申請人:哈爾濱工業大學