一种用于空间展开结构快速自刚化、高强度复合薄膜及其制备方法

本发明涉及一种应用于空间展开结构的复合材料。具体的说，涉及一种快速展开自刚化、并在展开后能够自蔓延进一步增强刚化的复合薄膜，将其应用于空间展开结构，例如，空间展开结构中的支撑管、桁架等。

背景技术：

1、随着航天事业迅猛发展，在大体积大功率空间发电、遥感测控等应用背景下，空间充气展开结构因其优异的可折叠性、质量轻、低成本等优势而得到广泛关注和应用，如大型太阳翼、展开天线、雷达等。

2、空间充气展开结构由柔性材料(薄膜或有涂层的织物)制成，在发射升空前可将其折叠包装，大大节省了发射体积；在进入轨道后，通过充气将其展开，再进行成型固化使其具有充分的强度和刚度。其按照固化成型方式划分可分为自刚化复合薄膜及响应刚化复合薄膜，其中以铝/聚合物薄膜为主的自刚化复合薄膜相对于以热固化、紫外固化为主的响应刚化复合薄膜，具有质量轻、不需要额外的固化成型能量、固化方式简单高效、固化可逆的优点。但自刚化复合薄膜由于包装限制层压薄膜中的软金属层非常薄(一般仅有0.05mm厚)，导致其即使在完成刚化后强度依然较低，且自刚化复合薄膜在折叠装载过程中容易产生褶皱，褶皱处不仅容易引起结构形状的改变，而且也易产生微孔导致气体泄漏而使整体结构失效。

3、目前，已有方案希望增强自刚化层的强度、其采用弹性钢卷尺材料增强自刚化层来使材料的刚度进一步提高，但这种同样未能解决复合薄膜在折叠装载过程中的褶皱失效问题。

4、因此，基于自刚化复合薄膜及响应刚化复合薄膜的缺陷，本领域希望能够发明出一种即能快速实现自刚化，且不需要额外的固化能量，固化方式简单高效，又能具有更高的刚度，实现展开结构稳定可靠的复合薄膜，以寻求空间展开领域更为广泛的应用。

技术实现思路

1、本发明针对自刚化复合薄膜及响应刚化复合薄膜的缺陷，提供一种用于空间展开结构快速自刚化、高强度复合薄膜及其制备方法。

2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

3、一种用于空间展开结构快速自刚化、高强度复合薄膜，所述复合薄膜从内到外依次由气密层、刚化层、封装层及自蔓延层组成，其中，气密层、刚化层、封装层三层材料按照“三明治”结构层压结合，自蔓延层通过胶黏剂与封装层粘接。复合薄膜的形状为层叠结构，分别包括气密层、刚化层、封装层及自蔓延层，其中自蔓延层可以根据对展开结构的束缚力的要求而设计具体的微流体通道，微流体通道中的反应性单体在受到刺激后，会产生不同方向的束缚力。

4、进一步地，所述气密层和封装层均为聚合物薄膜材料，所述钢化层为柔软可延展的铝箔。

5、进一步地，所述聚合物薄膜材料为聚酰亚胺薄膜或聚酯薄膜。

6、进一步地，所述自蔓延层以聚二甲基硅氧烷或硅橡胶为基体，在基体中设计出微流体通道，微流体通道体系能够使液体单体受控的渗透到整个系统，液体单体在光刺激下会发生固化，并可自蔓延至整个未反应的体系。

7、进一步地，所述单体为低挥发性的87-89wt％三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(tmpta)、2-2.5wt％luperox 231引发剂、8-10wt％热解法二氧化硅及1-2wt％碳纳米颗粒(或金属纳米粒子)。

8、一种上述的用于空间展开结构快速自刚化、高强度复合薄膜的制备方法，所述方法步骤为：

9、步骤一：气密层、刚化层、封装层三层材料按照“三明治”结构层压结合；

10、步骤二：自蔓延层的制备

11、(1)微流体通道的制备：通过使用简单的矩形模具将0.5-0.8mm尼龙单丝或5-15mm宽度的树脂薄片模具(目的是使微流体通道尺寸更宽)包封在1-1.5mm厚的pdms片材中来制造微流体通道，使模具在室温下固化48小时，固化后，除去单丝或薄片模具，留下相同尺寸的通道；样品含有1-5个通道，以允许一定范围的体积百分比填充。

12、(2)反应性液体单体的制备：使用1-2wt％碳纳米颗粒(或金属纳米粒子)、2-2.5wt％引发剂和8-10wt％热解法二氧化硅在87-89wt％丙烯酸酯单体混合，在使用之前，通过碱性氧化铝除去丙烯酸酯单体中不需要的抑制剂，然后将碳纳米颗粒(或金属纳米粒子)、引发剂与丙烯酸酯单体混合，并进行抽真空以消除溶液中的气泡，随后加入热解法二氧化硅并充分混合以产生凝胶状稠度；所述丙烯酸脂单体为三丙烯酸正丙烷酯、1，4-丁二醇丙烯酸酯(bdda)、1，6-己二醇二丙烯酸酯(hdda)，二甘醇二丙烯酸酯(degda)中的一种或多种；

13、(3)自蔓延层的制备：将上述的反应性液体单体用注射器，缓慢注入到基体微流体通道中，以防止产生气泡，并对微流体通道进行封端(用pdms或其他橡胶类物质)；

14、步骤三：自蔓延层通过胶黏剂与封装层粘接。

15、本发明相对于现有技术的有益效果为：

16、(1)本发明的复合薄膜整体结构简单，质量轻，包括充气展开自刚化层及展开后的刚化自蔓延层，充气展开自刚化层为物理刚化，不需要额外固化能量，固化方式简单高效，刚化自蔓延层同样不需要携带额外的固化能量也可以通过添加单点紫外灯或单点的热电阻进行固化，利用太阳光刺激，仅需微流体通道中某个点接受太阳光刺激或人为开关紫外灯或热电阻引发发生固化，便可使能量传递给未发生固化的单体，使得整个微流体通道实现柔刚转变，使得整体复合薄膜既有快速自刚化的效果，同时又具有高刚度。

17、(2)本发明的复合薄膜弥补了自刚化层刚度不足、褶皱失效高度依赖充气压力完成软金属部件屈服硬化的缺点，本复合薄膜即使在存在气体漏气的情况下，也可以完成整体薄膜的刚化，提高了空间展开结构的稳定性。

18、(3)自刚化层可以帮助整体复合薄膜实现快速展开并完成自刚化的效果。

19、(4)自蔓延层虽属于化学刚化、但其不携带或者仅需很小的额外固化能量额外的固化能量，固化方式简单高效，整体复合薄膜刚化强度可以根据配方进行调节。

技术特征：

1.一种用于空间展开结构快速自刚化、高强度复合薄膜，其特征在于：所述复合薄膜从内到外依次由气密层、刚化层、封装层及自蔓延层组成，其中，气密层、刚化层、封装层三层材料按照“三明治”结构层压结合，自蔓延层通过胶黏剂与封装层粘接。

2.根据权利要求1所述的一种用于空间展开结构快速自刚化、高强度复合薄膜，其特征在于：所述气密层和封装层均为聚合物薄膜材料，所述钢化层为柔软可延展的铝箔。

3.根据权利要求2所述的一种用于空间展开结构快速自刚化、高强度复合薄膜，其特征在于：所述聚合物薄膜材料为聚酰亚胺薄膜或聚酯薄膜。

4.根据权利要求1所述的一种用于空间展开结构快速自刚化、高强度复合薄膜，其特征在于：所述自蔓延层以聚二甲基硅氧烷或硅橡胶为基体，在基体中设计出微流体通道，微流体通道体系能够使液体单体受控的渗透到整个系统，液体单体在光刺激下会发生固化，并可自蔓延至整个未反应的体系。

5.根据权利要求4所述的一种用于空间展开结构快速自刚化、高强度复合薄膜，其特征在于：所述单体为87-89wt％丙烯酸酯单体、2-2.5wt％引发剂、8-10wt％热解法二氧化硅及1-2wt％碳纳米颗粒(或金属纳米粒子)。

6.一种权利要求1～5任一项所述的一种用于空间展开结构快速自刚化、高强度复合薄膜的制备方法，其特征在于：所述方法步骤为：

技术总结一种用于空间展开结构快速自刚化、高强度复合薄膜及其制备方法，所述复合薄膜从内到外依次由气密层、刚化层、封装层及自蔓延层组成，气密层、刚化层、封装层三层材料按照“三明治”结构层压结合，自蔓延层通过胶黏剂与封装层粘接。自蔓延层以聚二甲基硅氧烷或硅橡胶为基体，在基体中设计出微流体通道，微流体通道体系能够使液体单体受控的渗透到整个系统，液体单体在光刺激下或人为开关紫外灯或热电阻会发生固化，并可自蔓延至整个未反应的体系。本发明复合薄膜弥补了自刚化层刚度不足、褶皱失效高度依赖充气压力完成软金属部件屈服硬化的缺点，本复合薄膜即使在存在气体漏气的情况下，也可以完成整体薄膜的刚化，提高了空间展开结构的稳定性。技术研发人员：刘宇艳,李嘉伟,张东杰,孙新超,成中军,谢志民受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学技术研发日：技术公布日：2024/6/13