阅读说明：本技术 一种磁场驱动双稳态结构及其制作方法 (Magnetic field driven bistable structure and manufacturing method thereof ) 是由 张征 周一松 孙敏 李毅 柴灏 李吉泉 吴化平 彭翔 于 2020-04-01 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种磁场驱动双稳态结构及其制作方法,一种磁场驱动双稳态结构,包括双稳态层合板、用于驱动双稳态层合板变形的磁敏变形驱动器,所述磁敏变形驱动器固定在双稳态层合板表面。本发明采用提供一种磁场驱动双稳态结构及其制作方法,响应速度快、结构简单、控制简单便于操作,且制作简单。(The invention discloses a magnetic field driving bistable structure and a manufacturing method thereof, and the magnetic field driving bistable structure comprises a bistable laminated plate and a magnetic sensitive deformation driver for driving the bistable laminated plate to deform, wherein the magnetic sensitive deformation driver is fixed on the surface of the bistable laminated plate. The magnetic field driving bistable structure and the manufacturing method thereof have the advantages of high response speed, simple structure, simple control, convenient operation and simple manufacturing.)

一种磁场驱动双稳态结构及其制作方法

技术领域

本发明涉及智能可变形结构以及复合材料技术领域，尤其是涉及一种磁场驱动双稳态结构及其制作方法。

背景技术

复合材料双稳态是指具有两个变形能力，且在变形后无需持续的能量输入即可保持稳定状态的结构。正是因为这种特性，使其在可变形机翼、展开结构、可展开太阳能板等领域具有巨大的应用潜力。随着航空、航天工业的发展，对可变形结构的变形能力提出了更高的要求。双稳态结构的智能驱动方式目前主要使用形状记忆合金、压电材料等。但由于现有驱动方式的响应速度较慢且对其本身刚度、曲率会有一定的影响，因此有必要提出一种新的驱动的智能驱动方法。

例如，在中国专利文献上公开的“可重构的双稳态装置”，其公告号CN103035427B，包括侧向地设置在一个或多个安装部件之间并且连接到一个或多个安装部件的弹性可变形的板，所述一个或多个安装部件直接或间接地连接到所述板的相对端，所述板保持在沿着所述相对端之间延伸的至少一个向量的压缩力之下，该压缩力使板变形为两个稳定的变形位置中的一个，该发明就是采用形状记忆合金使双稳态结构变形，具有响应速度慢、且对本身刚度、曲率有一定的影响等缺点。

发明内容

本发明是为了克服现有驱动方式的响应速度较慢且对其本身刚度、曲率会有一定的影响的问题，提供一种磁场驱动双稳态结构及其制作方法，响应速度快、结构简单、控制简单便于操作，且制作简单。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种磁场驱动双稳态结构，包括双稳态层合板、用于驱动双稳态层合板变形的磁敏变形驱动器，所述磁敏变形驱动器固定在双稳态层合板表面。

在本技术方案中，磁敏变形驱动器固定在双稳态层合板外即可，结构简单，双稳态层合板具有双稳态特性，即其具有多种稳定形态，且不需要外力维持形态，磁敏变形驱动器为双稳态层合板变形态提供驱动力，只需要外加磁场就可以使磁敏变形驱动器向一侧弯曲，磁敏变形驱动器弯曲产生的弯矩驱动双稳态层合板从一个稳态向第二稳态转变，控制简单，便于操作；且磁敏变形驱动器具有较好的驱动响应能力，驱动速度快。

作为优选，所述双稳态层合板与所述磁敏变形驱动器粘接。

磁敏变形驱动器在不同双稳态层合板上的粘接位置不同，粘接的方式使双稳态层合板与磁敏变形驱动器之间的连接方便。

作为优选，所述磁敏变形驱动器设置为磁流变弹性体驱动器，所述磁流变弹性体驱动器包括柔性基体、用于在外加磁场作用下驱动柔性基体弯曲变形的磁性颗粒。

磁流变弹性体驱动器有较好的驱动响应能力，驱动速度快，可实现非接触式驱动，在外加磁场作用下，磁性颗粒运动，从而柔性基体弯曲，因此通过控制外界磁场即可控制磁敏变形驱动器对双稳态层合板的驱动力，使驱动力易于调控。

作为优选，所述磁性颗粒在柔性基体内链状分布。

当磁性颗粒链状分布时，在外加磁场的作用下，磁性颗粒发生运动，从而带动柔性基体弯曲，而根据外加磁场的不同，磁性颗粒受到的力也不同，因此通过控制外界磁场即可控制柔性基体变形程度。

作为优选，所述双稳态层合板包括双层设置的铺层材料，所述铺层材料正交铺设。

铺层材料正交铺设有利于在加热固化后产生残余应力，使得到的双稳态层合板具有两种稳态。

作为优选，所述铺层材料设置为T700碳纤维环氧树脂。

双稳态层合板需要在两种稳态之间变形转换，T700碳纤维环氧树脂预浸料具有很好的韧性，使双稳态层合板不易折断。

为实现发明目的，所采用的技术方案是：一种磁场驱动双稳态结构的制作方法，包括以下步骤：

步骤一：正交铺设铺层材料，再加热固化完成双稳态层合板的制作；

步骤二：将柔性基体材料与磁性颗粒混合得到混合物，再将混合物放置到真空干燥箱中抽真空，然后将混合物放置于密封模具中并在均匀磁场下固化完成磁敏变形驱动器的制作；

步骤三：将磁敏变形驱动器固定在双稳态层合板上。

在步骤一中，正交铺设铺层材料有利于在加热固化后产生残余应力，使得到的双稳态层合板具有两种稳态，在步骤二中，柔性基体材料为磁敏变形驱动器的主体，在磁场作用下，磁性颗粒链状分布，在步骤三中，磁敏变形驱动器固定在双稳态层合板上，磁敏变形驱动器弯曲产生弯矩，对双稳态层合板产生驱动力，使其发生变形。

作为优选，在步骤二中，所述柔性基体材料为硅橡胶。

硅橡胶相比于天然橡胶和其他合成橡胶粘弹性、耐高温性能好，较柔软且制作流程简单、固化时间可控。

作为优选，在步骤二中，所述磁性颗粒为硬磁性颗粒。

硬磁性颗粒具有高的最大磁能积，即具有较高的永磁材料单位体积存储和可利用的最大磁能量密度，还具有高的矫顽力、高的剩余磁通密度和大的剩余磁化强度，另外，其稳定性也高，用硬磁性颗粒制作而成的磁敏变形驱动器具有较大的剩余磁化强度，能产生明显的极性，在外磁场作用下能产生更大的磁力矩和形变量，便于驱动双稳态层合板变形。

作为优选，所述硬磁性颗粒设置为汝铁硼磁粉。

汝铁硼磁粉拥有更好的磁性，便于提高磁性变弹性体驱动器的性能，且性价比高。

因此，本发明具有如下有益效果：

（1）响应速度快、结构简单、控制简单便于操作，且制作简单；

（2）铺层材料正交铺设是双稳态层合板具有两种稳态；

（3）采用磁流变弹性体驱动器，有较好的驱动响应能力，驱动速度快，可实现非接触式驱动、且驱动力易于调控；

（4）硬磁性颗粒设置为汝铁硼磁粉，便于提高磁性变弹性体驱动器的性能，且性价比高。

附图说明

图1是一种磁场驱动双稳态结构的结构示意图；

图2是磁敏变形驱动器制作示意图；

图3是无磁场制作的磁敏变形驱动器内部结构；

图4是有磁场制作的磁敏变形驱动器内部结构；

图5是磁敏变形驱动器在一端固定的变形图；

图6是磁场驱动双稳态结构的磁敏变形驱动器第一种放置位置的结构示意图；

图7是磁场驱动双稳态结构的磁敏变形驱动器第二种放置位置的结构示意图；

图8是磁场驱动双稳态结构的磁敏变形驱动器第三种放置位置的结构示意图；

图中：1、双稳态层合板 2、磁敏变形驱动器 201、柔性基体 202、磁性颗粒 3、模具 4、电磁铁。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。

实施例1：

如图1所示的实施例1中，一种磁场驱动双稳态结构，包括双稳态层合板1和用于驱动双稳态层合板1变形的磁敏变形驱动器2，磁敏变形驱动器2通过粘接剂粘接在双稳态层合板1的表面，磁敏变形驱动器2主要固定在双稳态层合板1边缘处，磁敏变形驱动器2设置为磁流变弹性体驱动器。

在本技术方案中，双稳态层合板1具有双稳态特性，其具有多种稳定形态，其不需要外力维持形态，而如图5所示，磁敏变形驱动器2会在外加磁场的作用下，向一侧弯曲产生弯矩，弯矩产生促使双稳态层合板1从第一稳态向第二稳态转变的突变力，使双稳态层合板1变形。而磁敏变形驱动器2设置为磁流变弹性体驱动器，其具有较好的驱动响应能力，驱动速度快，可实现非接触式驱动，且通过控制外界磁场即可控制磁敏变形驱动器2对双稳态层合板1的驱动力，使驱动力易于调控。

此外，如图6、图7、图8所示，由于磁敏变形驱动器2与双稳态层合板1粘接，磁敏变形驱动器2的固定位置可根据需求进行变化，根据不同磁敏变形驱动器2的放置位置可产生不同形状结构的双稳态层合板1，因此该结构可适用于多种领域，如可变形机翼、展开结构、可展开太阳能板、航空航天领域等。

进一步地，磁敏变形驱动器设置为磁流变弹性体驱动器，磁流变弹性体驱动器包括柔性基体、用于在外加磁场作用下驱动柔性基体弯曲变形的磁性颗粒，磁性颗粒在柔性基体内链状分布。磁流变弹性体驱动器有较好的驱动响应能力，驱动速度快，可实现非接触式驱动。当磁性颗粒链状分布时，在外加磁场的作用下，磁性颗粒发生运动，从而带动柔性基体弯曲，而根据外加磁场的不同，磁性颗粒受到的力也不同，因此通过控制外界磁场即可控制磁敏变形驱动器对双稳态层合板的驱动力，使驱动力易于调控。

实施例2：

实施例2的技术方案与实施例1的技术方案基本相同，其不同之处在于：双稳态层合板1包括双层设置的铺层材料，铺层材料正交铺设，铺层材料为正交各项异形材料，铺层材料正交铺设有利于在加热固化后产生残余应力，使得到的双稳态层合板1具有两种稳态。这里铺层材料设置为T700碳纤维环氧树脂，单层厚度为0.03mm，双稳态层合板1需要在两种稳态之间变形转换，T700碳纤维环氧树脂预浸料具有很好的韧性，使双稳态层合板1不易折断。

实施例3：

一种磁场驱动双稳态结构的制作方法，包括以下步骤：

步骤一：将两块铺层材料正交铺设，这里铺层材料为T700碳纤维环氧树脂，然后采用热压罐成型工艺完成双稳态层合板1的制作， 即将铺层在高温高压下固化，从而使其产生两种稳态；

步骤二：将柔性基体材料201与磁性颗粒202混合得到混合物，再将混合物放置到真空干燥箱中抽真空，然后将混合物放置于密封模具3中并在均匀磁场下固化完成磁敏变形驱动器2的制作，即磁流变弹性体驱动器制作完成；

步骤三：将磁敏变形驱动器2通过粘接剂粘接在双稳态层合板1上完成磁场驱动双稳态层合板制作。

在步骤一中，正交铺设铺层材料有利于在加热固化后产生残余应力，使得到的双稳态层合板1具有两种稳态，在步骤二中，柔性基体201为磁敏变形驱动器2的主体，在磁场作用下，磁性颗粒202链状分布，在步骤三中，磁敏变形驱动器2固定在双稳态层合板1上，粘接剂为硅胶胶水，磁敏变形驱动器2弯曲产生弯矩，对双稳态层合板1产生驱动力，使其发生变形。

实施例4：

实施例4的技术方案与实施例3的技术方案基本相同，其不同之处在于：在步骤一中，T700碳纤维环氧树脂铺设完成后在热压罐中加热加压固化2小时后自然冷却得到，其压力为0.6 MPa，温度为180℃。

实施例5：

如图3、图4所示，实施例5的技术方案与实施例3的技术方案基本相同，其不同之处在于：在步骤二中，柔性基体材料201选择硅橡胶相比于天然橡胶和其他合成橡胶粘弹性、耐高温性能好，较柔软且制作流程简单、固化时间可控；磁性颗粒202为硬磁性颗粒，硬磁性颗粒具有高的最大磁能积，即具有较高的永磁材料单位体积存储和可利用的最大磁能量密度，还具有高的矫顽力、高的剩余磁通密度和大的剩余磁化强度，另外，其稳定性也高，用硬磁性颗粒制作而成的磁敏变形驱动器2具有较大的剩余磁化强度，能产生明显的极性，在外磁场作用下能产生更大的磁力矩和形变量，便于驱动双稳态层合板1变形。

进一步地，硬磁性颗粒设置为汝铁硼磁粉，汝铁硼磁粉拥有更好的磁性，便于提高磁流变弹性体驱动器的性能，且性价比高。

实施例6：

如图2所示，实施例6的技术方案与实施例3的技术方案基本相同，其不同之处在于：在步骤二中，在硅橡胶和硬磁性颗粒混合搅拌均匀后，将放有混合物的烧杯置于真空干燥箱，去除混合物内部的气泡，之后将混合物移置于密封的模具3，最后将模具3放入1.5T的均匀磁场中，静置2 h预结构化直至固化。

进一步地，如图3、图4所示，磁场由电磁铁4产生，在磁场的作用下，磁流变弹性体驱动器中的硬磁性颗粒呈链状分布，而没有外界磁场制作的磁流变弹性体驱动器中的硬磁性颗粒呈均匀分布。

进一步地，磁流变弹性体驱动器2的形状为长方形，厚度为2mm。

需要说明的是，上述描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

以上实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。