阅读说明：本技术 一种基于形状记忆聚合物复合材料的锁紧释放装置 (Locking and releasing device based on shape memory polymer composite material ) 是由 冷劲松 刘彦菊 刘政贤 刘立武 兰鑫 戴雯煦 彭凡 于 2018-05-28 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种基于形状记忆聚合物复合材料的锁紧释放装置,包括锁紧驱动机构、锁紧支撑机构和预紧机构,锁紧驱动机构包括由形状记忆聚合物复合材料制成的锁紧片层和弹簧,锁紧片层表面附着电加热膜,锁紧机构包括锁定销、弹簧支座和锁紧支座,预紧机构包括预紧螺母和顶丝,锁紧片层的两端分别与锁定销顶部和弹簧支座的顶部固定连接,弹簧两端分别与锁定销和弹簧支座固定连接,弹簧支座与锁紧支座上部固定连接,预紧螺母邻近锁紧支座的下部设置并固定在底板上,弹簧支座和预紧螺母设置在锁紧支座的相对两侧,顶丝穿入预紧螺母并与锁紧支座下部相抵触,锁紧支座上设有与底板连接用的长槽形安装孔。本发明锁紧释放过程平缓,对系统的冲击小。(The invention provides a locking and releasing device based on a shape memory polymer composite material, which comprises a locking driving mechanism, a locking supporting mechanism and a pre-tightening mechanism, wherein the locking driving mechanism comprises a locking sheet layer made of the shape memory polymer composite material and a spring, an electric heating film is attached to the surface of the locking sheet layer, the locking mechanism comprises a locking pin, a spring support and a locking support, the pre-tightening mechanism comprises a pre-tightening nut and a jackscrew, two ends of the locking sheet layer are respectively and fixedly connected with the top of the locking pin and the top of the spring support, two ends of the spring are respectively and fixedly connected with the locking pin and the spring support, the spring support is fixedly connected with the upper part of the locking support, the pre-tightening nut is arranged and fixed on a bottom plate near the lower part of the locking support, the spring support and the pre-tightening nut are arranged at two, the locking support is provided with a long groove-shaped mounting hole for connecting with the bottom plate. The invention has the advantages of smooth locking and releasing process and small impact on the system.)

一种基于形状记忆聚合物复合材料的锁紧释放装置

技术领域

本发明属于航空航天技术领域，尤其是涉及一种基于形状记忆聚合物复合材料的锁紧释放装置。

背景技术

在航空航天领域，航天器与有效载荷的连接分离大多采用***螺栓与火工切割器等火工装置，虽然具有结构简单、可靠性高等特点，但火工分离产生的巨大冲击对空间操控平台的姿态和精度控制均产生严重影响。

目前，在我国，尽管近年来在航天器连接与分离机构领域的研究取得了诸多技术成果和工程应用，但针对在轨应用的大承载低冲击锁紧释放机构的研究尚未开展，而且现有的锁紧释放机构存在质量重、机构复杂、释放过程中冲击过大的问题。

本发明所述的一种基于形状记忆聚合物复合材料的锁紧释放机构。由于形状记忆聚合物复合材料的形状记忆效应及其高比强度、比刚度的特点，应用其到锁紧释放机构中不仅可以有效降低机械结构复杂程度和锁紧释放难度，而且由于形状记忆聚合物复合材料的变形回复过程平缓，可使解锁过程较平缓，减轻对系统造成较大的冲击。为未来空间锁紧释放机构的设计制造提供新的思路和方法。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种基于形状记忆聚合物复合材料的锁紧释放装置，解决传统的锁紧释放机构质量重、机构复杂、释放过程中冲击过大的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于形状记忆聚合物复合材料的锁紧释放装置，包括锁紧驱动机构、锁紧机构和预紧机构，所述的锁紧驱动机构包括形状记忆聚合物复合材料制成的锁紧片层和弹簧，所述的锁紧片层表面附着电加热膜，所述的锁紧机构包括锁定销、弹簧支座和锁紧支座，所述的预紧机构包括预紧螺母和顶丝，所述的锁紧片层的两端分别与锁定销的顶部和弹簧支座的顶部固定连接，所述的弹簧设置在锁紧片层的正下方，所述的弹簧两端分别与锁定销和弹簧支座固定连接，所述的弹簧支座与锁紧支座上部固定连接，所述的预紧螺母邻近锁紧支座的下部设置并固定在底板上，所述的弹簧支座和预紧螺母设置在锁紧支座的相对两侧，所述的顶丝穿入预紧螺母并与锁紧支座下部相抵触，所述的锁紧支座上设有与底板连接用的长槽形安装孔。

进一步的，所述形状记忆聚合物复合材料包括基体材料和增强材料，所述的基体材料为环氧或氰酸酯，环氧种类为Tg＝80℃、Tg＝100℃、Tg＝120℃、Tg＝150℃或g＝170℃，氰酸酯种类为Tg＝180℃、Tg＝210℃；所述的增强方式为纤维增强和颗粒增强，所述的增强材料为碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、石墨烯或碳纳米管。

进一步的，所述由形状记忆聚合物复合材料制成的锁紧片层横截面为矩形，初始状态为弧形形状，赋形后的形状为平直状态。

进一步的，所述锁紧片层上下表面各粘贴一个电加热膜，且粘贴方式为利用耐高温的聚酰亚胺双面胶或耐高温的丙烯酸双面胶粘贴，或者将薄膜型加热器固化在由形状记忆聚合物复合材料制成的锁紧片层材料内部。

进一步的，所述弹簧一端套在弹簧支座上并与弹簧支座上的第一螺纹孔螺纹连接，另一端穿入锁定销的第二螺纹孔内并与第二螺纹孔螺纹连接。

进一步的，所述锁紧支座下部设有与顶丝一端相抵触的凹槽。

进一步的，所述锁紧支座上对称设置四个长槽形安装孔。

进一步的，所述预紧螺母通过带有连接孔的连接板与底板固定连接。

进一步的，所述锁定销为圆锥形插销。

进一步的，所述锁紧释放装置两个或多个串联使用。

相对于现有技术，本发明所述的一种基于形状记忆聚合物复合材料的锁紧释放装置具有以下优势：

本发明所述的一种基于形状记忆聚合物复合材料的锁紧释放装置，具有释放过程稳定和可靠释放的好处；锁紧片层刚度、强度较高，密度低，变形回复力较大，形状保持能力较好同时可以将驱动力与锁定功能集于一身，减小可展开结构的复杂度，克服传统机械式空间可展开结构的缺陷并满足空间特殊要求。对比现有对比一种记忆合金驱动的星载锁紧释放装置，本申请的记忆材料为聚合物复合材料，并且其用来制作锁紧片层，集锁紧-展开功能一体化，大大简化了锁紧展开的机构，提高了锁紧展开的可靠性，同时本材料结合了复合材料具有可设计性，可以根据实际使用情况进行比强度和比刚度的设计，可以保证锁紧的强度、刚度和可靠性。

本发明中锁紧释放装置和锁紧片层的大小和个数可依据负载的大小与质量而调节。

本发明驱动展开的过程平稳，对系统的冲击小，尤其避免了展开开始瞬间和末期的剧烈冲击载荷，有效提高了锁紧锁紧释放装置在各类航天器中的适用性。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的一种基于形状记忆聚合物复合材料的锁紧释放装置的锁紧状态的主视图；

图2为本发明实施例所述的一种基于形状记忆聚合物复合材料的锁紧释放装置的锁紧状态的俯视图；

图3为本发明实施例所述的一种基于形状记忆聚合物复合材料的锁紧释放装置的释放状态的结构示意图；

图4为形状记忆聚合物复合材料的形态变化过程示意图；

图5为形状记忆聚合物复合材料制成的锁紧片层的初始形状示意图；

图6为一种基于形状记忆聚合物复合材料的锁紧释放装置的试验解锁过程图。

附图标记说明：

1-锁紧片层，2-锁定销，3-弹簧支座，4-电加热膜，5-弹簧，6-锁紧支座，7-预紧螺母，8-顶丝，9-长槽形安装孔，10-连接孔，11-连接板。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1-图3所示，一种基于形状记忆聚合物复合材料的锁紧释放装置，包括锁紧驱动机构、锁紧机构和预紧机构，所述的锁紧驱动机构包括由形状记忆聚合物复合材料制成的锁紧片层1和弹簧5，所述的锁紧片层1表面附着电加热膜4，所述的锁紧机构包括锁定销2、弹簧支座3和锁紧支座6，所述的预紧机构包括预紧螺母7和顶丝8，所述的锁紧片层1的两端分别与锁定销2的顶部和弹簧支座3的顶部固定连接，所述的弹簧5设置在锁紧片层1的正下方，所述的弹簧5两端分别与锁定销2和弹簧支座3固定连接，所述的弹簧支座3与锁紧支座6上部固定连接，所述的预紧螺母7邻近锁紧支座6的下部设置并固定在底板上，所述的弹簧支座3和预紧螺母7设置在锁紧支座6的相对两侧，所述的顶丝8穿入预紧螺母7并与锁紧支座6下部相抵触，所述的锁紧支座6上设有与底板连接用的长槽形安装孔9。

形状记忆聚合物复合材料包括基体材料和增强材料，所述的基体材料为环氧或氰酸酯，环氧种类为Tg＝80℃、Tg＝100℃、Tg＝120℃、Tg＝150℃或Tg＝170℃，氰酸酯种类为Tg＝180℃、Tg＝210℃；所述的增强方式为纤维增强和颗粒增强，所述的增强材料为碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、石墨烯或碳纳米管。

由形状记忆聚合物复合材料制成的锁紧片层1的横截面为矩形，初始状态为弧形形状，赋形后的形状为平直状态，加热方式为外贴电热膜4加热，当电加热膜4提供的温度超过由形状记忆聚合物复合材料制成的锁紧片层1的玻璃化转变温度Tg，平直状态的形状记忆聚合物复合材料锁紧片层1变形至其初始弯曲状态。

锁紧片层1上下表面各粘贴一个电加热膜4，且粘贴方式为利用耐高温的聚酰亚胺双面胶或耐高温的丙烯酸双面胶粘贴，或者将薄膜型加热器固化在由形状记忆聚合物复合材料制成的锁紧片层1材料内部。

弹簧5一端套在弹簧支座3上并与弹簧支座3上的第一螺纹孔螺纹连接，另一端穿入锁定销2的第二螺纹孔内并与第二螺纹孔螺纹连接，弹簧5两端均固定，有利于整个装置的稳定性和可靠性。

锁紧支座6下部设有与顶丝8一端相抵触的凹槽，顶丝8与凹槽配合，顶丝8推动锁紧支座6过程平稳可靠。

锁紧支座6上对称设置四个长槽形安装孔9，可通过预紧机构对锁紧支座6在底板上的位置可调，从而调节预紧力。

预紧螺母7通过带有连接孔10的连接板11与底板固定连接。

锁定销2为圆锥形插销，方便***负载中。

锁紧释放装置两个或多个串联使用，锁紧释放装置通常两个串联使用，使用时，锁紧释放装置两端顶着负载；锁紧释放装置也可以根据不同的结构形式多个一起使用。

本装置的工作原理为：

形状记忆聚合物复合材料锁紧片层的“变形”原理如下，如图4所示，形状记忆聚合物复合材料锁紧片层属于一种形状记忆聚合物复合材料，是一种具有形状记忆效应的新型智能材料。形状记忆聚合物的变形记忆原理：当温度达到形状记忆聚合物的玻璃化转变温度(Glass Transition Temperature，Tg)以上，对材料(起始态)施加外力使其形变；在保持形状不变的情况下，使其温度降至玻璃化转变温度Tg以下一定温度，保持一段时间，撤去外界约束，所赋变形保持不变(变形态)；当再次将温度升至玻璃化转变温度Tg以上时，形状记忆聚合物能回复到原来的形状(回复态)。至此，完成“原始态-变形态-回复态”的变形循环。

当对形状记忆聚合物复合材料锁紧片层加热后，待达到其玻璃化转变温度后，它将***并易于赋形为一定形状，在保持约束情况下冷却***，回复常温时的刚度和强度，它就成为“固定变形态”，将此“固定变形态”装配于锁紧释放机构上，可以将锁定与驱动功能集于一身，锁紧状态时，由形状记忆聚合物复合材料制成的锁紧片层可以保持足够的强度和刚度，解锁时，对由形状记忆聚合物复合材料制成的锁紧片层再次加热达到玻璃化转变温度后，由形状记忆聚合物复合材料制成的锁紧片层能回复到初始形状。

本装置在使用时，锁紧释放装置锁紧时，锁紧释放装置的锁定销2为一圆锥形插销，将圆锥形插销***有凹槽的负载中，此时，弹簧5处于拉伸状态，由平直状态的锁紧片层1片层承受弹簧5拉力，并通过预紧机构调整锁紧支座6施加适当的预紧力，从而将负载锁紧；解锁时，对电加热膜4加热，待锁紧片层1温度达到玻璃化转变温度后，使得平直状态的锁紧片层1回复到初始弯曲形状，此时，弹簧5和锁紧片层1协同带着锁紧销2拔出，从而使得相应负载得以释放。

弹簧支座3、锁紧支座6、预紧螺母7、顶丝8材质为钛合金；弹簧5的材质为不锈钢丝SUS304。

基于形状记忆聚合物复合材料的锁紧释放装置的锁紧力调节需要根据锁紧重物的质量及其的加速度来定。

基于形状记忆聚合物复合材料锁紧片层的回复力与以下因素有关：1、碳纤维布、铺层及铺设角度；2、形状记忆树脂的选型；3、复合材料的厚度；4、锁紧片层的初始形态的结构形式。

表1锁紧片层回复距离及其对应回复时间

回复距离/mm	回复时间/S
		0	0
1	51
		2	93
3	131
		4	163
5	194
		6	226
7	259

下面选定一种情况，对基于形状记忆聚合物复合材料的锁紧释放装置进行测试回复性能。

由形状记忆聚合物复合材料制成的锁紧片层1选用形状记忆聚合物为氰酸酯、纤维布为东丽T300的斜纹布、碳纤维布铺层为4层、纤维布铺层角度±45°、厚度为2mm、锁紧片层1的初始结构形状见图5、锁紧片层1上下各粘贴一个电加热膜4，电加热膜4的功率为4.2W。

按照上述工况对锁紧机构的片层进行加热展开，上表1显示了锁紧片层在上述功率下回复距离和对应加热时间的关系，图6是对应的锁紧结构的加热的展开过程图。通过锁紧机构的片层进行加热展开试验可以看出，此锁紧释放机构解锁过程缓慢，不会造成对系统的冲击。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。