基于可调节热膨胀系数超材料的卫星天线支架的热致动器

本发明涉及热致动器，更特别地说，是指一种可调节卫星天线支架热稳定性的致动器，用于温度剧烈变化环境中。所述热致动器的作动能为机械能，所述机械能由可调节热膨胀系数超材料依据所述热致动器工作环境温度提供。

背景技术：

1、控制材料的热膨胀在科学和工程应用中具有重要的技术意义。具有大热膨胀系数的材料可构造热致动器，用于卫星天线支架等精密仪器部件。热尺寸稳定性是许多空间结构的重要性能参数，环境的变化(包括失重、温度和真空等)会影响大型结构和卫星平台的精度。这些绕地球运行的卫星有规律地从阳光照射到阴凉处再返回；这些转变通常伴随着显著的温度变化。当卫星相邻的不同材料部件受到较大的温度变化时，温度变化和两种材料之间的热膨胀系数差异会产生热失配应力。这些热应力与不期望的变形有关，这将使机载仪器的工作环境恶化，例如，降低光学望远镜的精度或空间相机的定位精度。此外，它还可能通过长期循环引起结构的疲劳和破坏。

2、普通固体材料的热膨胀系数有限，且由于受到点阵中质点间的结合力控制，难以对其进行调节。自然界存在少量零/负热膨胀系数材料，但这些材料在不同程度上存在一定局限性，比如脆性大、温度范围小、具有显著各向异性等问题。guillaume最早发现了热膨胀系数异常低的因瓦合金，但因瓦合金强度较低，价格较高，限制了其大面积应用。陶瓷材料的热膨胀系数较低，但其脆性大，在环境温度变化过程中易失效。而在负热膨胀系数力学超材料中，可以通过人工设计、调整微元的几何构型，有效地控制该结构热膨胀系数，而这些结构作为体积变化的有效补偿，可在温度变化的环境下用于平衡热应力，使系统仍具有良好稳定性。可调热膨胀系数超材料的原理是，通过使用不同材料组合的方式，利用不同材料的热响应差别在结构的内部空间引起局部弯曲/旋转，以产生可调节的热膨胀效应，为实现零/负热膨胀系数提供了新途径。

3、常见的可调热膨胀系数超材料主要有双层梁弯曲驱动型和拉伸驱动型两种。

4、弯曲驱动型结构的基础是由两种材料组成的双层梁，依靠直的双层梁结构在均匀温度场下变为弧形，实现温度变化下弦长可调，其理论最早由timoshenko提出。弯曲驱动型结构由于实现的是两点之间热收缩，设计空间大，应力主要为弯曲应力，不同材料的接触界面难以完美结合。

5、拉伸驱动型材料的变形原理基于杆件在环境温度变化时发生的轴向变形。其最具代表性的结构是由两种材料组成的三角形单胞，由miller等人提出。此后，lim、lehman分别提出了三维双材料四面体、八面体桁架晶格，以获得特定方向的可定制热膨胀系数。

技术实现思路

1、目前应用于卫星天线支架多数热膨胀系数超材料热变形均比较受限，在这里本发明设计了一种能够实现大角度变形的新型结构单元—双材料内凹六边形单元体，如图1所求。与传统结构变形原理不同，所述双材料内凹六边形单元体通过柔性铰链驱动变形，以此可获得大的转角。所述双材料内凹六边形单元体可用于构造具有显著热膨胀系数可调范围的超材料，还可以应用于构造热响应开合窗口。通过控制梁长、铰链参数可以实现不同程度的角度变形，得到可调的正/零/负热膨胀系数超材料。

2、本发明设计的双材料内凹六边形单元体是以两种不同热膨胀系数材料的梁通过柔性铰链构成大角度变形单元，将微分线性热膨胀转化为角度变化来放大热响应。不同材料的梁、柔性铰链和变形放大杆件组成了最基础的热响应角度变形结构。双材料内凹六边形单元体由高热膨胀系数梁(1)、低热膨胀系数梁(2)、右端上变形杆件(3)、左端上变形杆件(4)、右端下变形杆件(5)和左端下变形杆件(6)构成；低热膨胀系数梁(2)位于高热膨胀系数梁(1)的框架内，且采用榫卯连接；上下分布的右端上变形杆件(3)与右端下变形杆件(5)榫卯连接在高热膨胀系数梁(1)的右端，上下分布的左端上变形杆件(4)与左端下变形杆件(6)榫卯连接高热膨胀系数梁(1)的左端。

3、本发明设计的双材料内凹六边形单元体通过利用并放大不同材料的热变形差值，使得双材料内凹六边形单元体可实现异常大的热变形量。通过仿真和实验，得到多个双材料内凹六边形单元体经阵列排布后得到的热致动器，其在横向能实现的热膨胀系数范围-2.7×10-3k-1～1.25×10-3k-1，纵向能实现的热膨胀系数范围为-5.2×10-3k-1～1.97×10-2k-1。极大的热膨胀可调范围使结构可以定制化应用在例如卫星天线支架等环境温度变化剧烈的精密仪器场景，根据支架材料的热膨胀系数进行针对性设计，用于补偿原始结构热变形，温度变化的环境下用于平衡热应力，使系统仍具有良好稳定性。

4、本发明双材料内凹六边形单元体的技术效果：

5、①可定制化调节热膨胀系数，针对不同应用场景进行结构参数调整，可作为体积变化的有效补偿，在温度变化的环境下用于平衡热应力，使卫星天线支架仍具有良好稳定性。

6、②设计的双材料内凹六边形单元体构型具有大范围正/负热膨胀系数调节范围，-5.2×10-3k-1～1.97×10-2k-1，远超已有研究中的热膨胀系数超材料阵列结构，适用范围更广。

7、③可定制化调节各向同性/各向异性特性，通过调节高、低热膨胀系数梁的轴向长、角度和柔性铰链厚度比例可进行定制化设计双材料内凹六边形单元体。

8、④由于双材料内凹六边形单元体的热膨胀特性与尺度无关，可以应用于宏观微观甚至纳米尺度，随着微纳米3d打印技术的发展，在未来更容易实现结构向微米级别的转化。

技术特征：

1.一种基于可调节热膨胀系数超材料的卫星天线支架的热致动器，所述热致动器由两种不同热膨胀系数材料加工；其特征在于：所述热致动器由多个阵列排布的双材料内凹六边形单元体构成；

2.根据权利要求1所述的基于可调节热膨胀系数超材料的卫星天线支架的热致动器，其特征在于：所述双材料内凹六边形单元体的热响应角度变形为榫块与榫槽配合的柔性铰链模式。

3.根据权利要求1所述的基于可调节热膨胀系数超材料的卫星天线支架的热致动器，其特征在于：所述双材料内凹六边形单元体中高热膨胀系数梁(1)为pe材料，除高热膨胀系数梁(1)以外的为abs材料。

4.根据权利要求1所述的基于可调节热膨胀系数超材料的卫星天线支架的热致动器，其特征在于：所述双材料内凹六边形单元体由3d打印技术加工得到。

5.根据权利要求1所述的基于可调节热膨胀系数超材料的卫星天线支架的热致动器，其特征在于：小型化的高热膨胀系数梁(1)的尺寸为，长记为a、宽记为b、高记为c，双材料内凹六边形单元体的夹角记为上下两个变形件之间的间距记为k，则有夹角＝4.0度～60度，间距k为0.6mm，c＝3mm，a＝21c～23c，b＝4.5c～6c。

6.根据权利要求1所述的基于可调节热膨胀系数超材料的卫星天线支架的热致动器，其特征在于：多个双材料内凹六边形单元体经阵列排布后得到的热致动器，在横向能实现的热膨胀系数范围-2.7×10-3k-1～1.25×10-3k-1，纵向能实现的热膨胀系数范围为-5.2×10-3k-1～1.97×10-2k-1。

7.根据权利要求1所述的基于可调节热膨胀系数超材料的卫星天线支架的热致动器，其特征在于：热致动器装配在卫星天线支架的上平台与支撑臂之间。

8.根据权利要求1所述的基于可调节热膨胀系数超材料的卫星天线支架的热致动器，其特征在于：装配在卫星天线支架的上平台下方的热致动器为多层阵列排布的双材料内凹六边形单元体。

技术总结本发明公开了一种基于可调节热膨胀系数超材料的卫星天线支架的热致动器，所述热致动器由阵列排布的多个双材料内凹六边形单元体构成，且安装于卫星天线支架上平台的下方，且与支撑臂连接。内凹六边形单元体的低热膨胀系数梁(2)位于高热膨胀系数梁(1)的框架内，且采用榫卯连接；上下分布的右端上变形杆件(3)与右端下变形杆件(5)榫卯连接在高热膨胀系数梁(1)的右端，上下分布的左端上变形杆件(4)与左端下变形杆件(6)榫卯连接高热膨胀系数梁(1)的左端。本发明内凹六边形单元体通过柔性铰链驱动变形，以此获得大的转角。通过对内凹六边形单元体的梁长、铰链参数调节能够实现不同程度的角度变形，得到可调的正/零/负热膨胀系数超材料的热致动器。技术研发人员：裴旭,唐菁雪,李志城,王梓行受保护的技术使用者：北京航空航天大学技术研发日：技术公布日：2024/4/22