福州大学《CoCo》：揭示双稳态复合材料可展开结构形变特性调控新机制

关键词：双稳态；复合材料；可展开空间结构；调控机制。

导读：

复合材料卷尺结构（CTS）因其轻质高强、结构简单、收纳效率高等优点，用于航空航天领域空间可展结构等的设计和制造。传统方法制备的基于碳纤复合材料（CFRP）的CTS结构具有自伸展特性，即输入少许能量使其部分展开后即可持续转变到伸展稳态，其展开过程具有高度动态非线性特性，卷拢过程需要持续的能量输入直至完全收卷。为了更好地满足不同航空航天折展结构的设计应用需求，实现CTS结构展开特性的精确调控，对于新型空天装备的设计智造有重要意义。

近日，福州大学研究团队在国际知名期刊《Composites Communications》发表了题为“On tailoring deployable mechanism of a bistable composite tape-spring structure”的文章。论文提出利用CFRP在高应变作用下的黏弹性时效变形，通过引入热处理工艺，成功制备出分别具有自伸展、中性稳定和自卷拢特性的复合材料卷尺结构，并对其展开形变特性进行了测试，分析了结构内应力的调控机理。文章第一作者为福州大学硕士生杨潮，通讯作者为王冰研究员。

内容简介：

1.结构和功能一体化制备新工艺

通过对完全卷拢状态下的碳纤维复合材料CTS样品施加特定的热处理工艺，在不改变复合材料铺层结构基础上成功制备出具有不同卷展特性的卷尺结构。图1展示了CTS结构卷展过程中的几种状态。传统工艺制备成型的CTS结构呈现自伸展特性，将其卷拢放置后置于50°C下热处理3小时，可制备成型中性稳定构型的卷尺结构。进一步提高热处理工艺温度，可得到自卷拢构型的CTS结构。处理后的CTS样品还显示出特殊的稳态构型，横跨单稳态、双稳态，到多稳态三种构型。

2.卷展形变特性测试

团队自制针对复合材料卷尺结构的卷展测试装置（图2），对CTS结构的卷展特性进行表征。图3所示为测试结果，其中，正载荷表示CTS样品推动加载框架，而负载荷表示结构拉动加载框架。由图可知，不同热处理工艺后的CTS结构试样表现出不同的卷展形变机制，即结构分别表现出自伸展特性，中性稳定特性，及自卷拢特性。

图4进一步分析了温度对结构卷展特性的影响机制，由此可总结出结构卷展特性的调控机理。由于CTS结构在完全卷拢后处于高应变状态，因此聚合物复合材料由于黏弹性效应发生缓慢变形，即在结构内部产生应力松弛现象。根据时温等效原理，施加的热处理工艺能够加速材料的黏弹性变形。对于CTS结构，其外表面处于拉应力状态，内表面处于压应力状态，CTS的应力松弛行为与由冷却产生的热残余应力相互作用，从而改变复合材料结构的内应力水平，实现复合材料卷尺结构卷展形变特性的精确调控。

3.小结

文章针对碳纤维复合材料卷尺结构，提出了一种结构和功能一体化制备新工艺，在不改变原结构和铺层设计的基础上，通过调节热处理工艺实现对结构卷展形变特性的调控，并成功制备出分别具有自伸展、中性稳定和自卷拢特性的复合材料卷尺结构，满足新型航空航天折展机构对变形结构单元稳态和形变特性的定制化设计需求。

原始文献：

Chao Yang, Bing Wang*, Shuncong Zhong, Chenmin Zhao, Wei Liang. On tailoring deployable mechanism of a bistable composite tape-spring structure. Composites Communications, 2022, 32: 101171.