车用形状记忆复合材料现状及未来发展趋势

2021-10-09刘彦鹏王童陈轶嵩金泰峰付佩

汽车文摘 2021年10期

刘彦鹏王童陈轶嵩金泰峰付佩

（长安大学，汽车学院，西安710021）

主题词：形状记忆效应形状记忆聚合物复合材料汽车

1 引言

随着时代的进步与发展，智能材料技术作为新兴材料，其独特之处在于它们能够通过身体拥有的感知到外界环境的变化并做出反应，如形状记忆效应（Shape Memory Effect，SME）是指在某一特定条件下通过塑性变形后，加热到一定温度后，材料完全恢复到变形前的现象[1]。

形状记忆聚合物与最早发现的形态记忆合金相比，它具有制造工艺简单、响应速度快、质量轻、可回复形变量大等优点[2]。而形状记忆复合材料与形状记忆聚合物相比，它具有响应方式多样化以及承载能力强等优点。通过向聚合物中添加功能颗粒或增强纤维的方式，可以制成形状记忆聚合物复合材料（Shape Memory Polymer Composite，SMPC）[3]。

形状记忆复合材料按向聚合物中添加不同物质得到复合材料的数量种类不同，可以分为2种：颗粒记忆增强复合材料和纤维记忆增强复合材料[4]。

（1）颗粒增强复合材料主要是通过在其中添加一定量的碳化硅纳米颗粒实现。

（2）纤维增强复合材料则是通过添加碳纳米管纤维、碳纤维和短切玻璃纤维来达到加强效果。

2 形状记忆复合材料的记忆原理及特性

2.1 形状记忆复合材料记忆原理

形状记忆复合材料的记忆全过程为，当材料被加热超过玻璃化转变温度后，使材料发生形变，为高温形状。此时对材料施加外力约束直到降低到低温状态，形变保留，当材料再次被加热后，自身形状逐渐变为高温形状。

其特性主要取决于材料中的两相结构，即固定相和可逆相。其中固定相能够实现保证材料的宏观形状以及相应刚度，其主要为记忆材料的初始形状，保证材料的交联处不发生变化；可逆相能够保证材料在变形记忆过程中的较大形变以及保持其临时形状不变[5]，为连接2交联处的链状结构。

2.2 单程形状记忆效应

形状记忆复合材料可以在高温下制成任意形状。当变为低温时，先进行形变处理，然后在高温下加热，变形还原，低温下再重塑不能恢复为低温时形状。若要建立双向外力效应，需要给其施加的任何外力恒定不变，称为非本征双向外力效应。因为单程效应具有极高的经济性，在许多应用场合都已经普遍利用单向变形效应结合变形效应外力这样的一种循环运动模型（图1）。

图1 单程形状记忆效应

2.3 双程形状记忆效应

双程形状记忆效应是经由温度的转变来实现材料外形的转变循环。即使在无任何外力的情况下，材料也能够随着温度的变化，记忆2种不同的形状（即高温形状与低温形状）。加热时还原成高温状态，冷却后还原成低温状态。温度的上升和下降可以自发恢复高—低的形状（图2）。

图2 双程形状记忆效应

2.4 全程形状记忆效应

全程形状记忆效应是指在高温条件下呈现1个高温的形状，低温条件冷却时呈现相同但是取向正好完全相反的1种形状。只能在富镍的钛-镍合金中才能找到[6]（图3）。

图3 全程形状记忆效应

形状记忆复合材料除拥有上述特性外，还有价格低廉、驱动方式多样化、回复性能优良的优点。

3 形状记忆复合材料的分类

3.1 形状记忆聚合物/SiC纳米颗粒复合材料

3.1.1 记忆聚合物/碳纳米管复合材料概述

形状记忆聚合物具备变形能力强、形状记忆效应好的优点。然而，与形状记忆合金相比，它有低强度和低回复驱动的缺点。通过将碳化硅纳米微粒在聚合物的基体上加入到材料中以提高该复合材料的弹性模量和回复性能，进而设计出了1种具有形状记忆的复合材料。但是在纳米颗粒含量大于40%时，形状记忆复合材料的回复率会随着纳米粒子含量的增长而呈现有所降低的趋势。

因为通过填充颗粒对形状记忆材料的弹性模量和回复力贡献有限，因此通过填充颗粒的形状记忆复合材料一般被广泛应用作为各种功能性材料[7]。

3.1.2 研究现状

目前，华南理工大学江鸿杰等采用粉末冶金梯级烧结法研制出碳化硅增强的形状记忆复合材料。经研究发现，该复合材料除弹性模量高，其具有稳定的线性超弹性和较高的基体压缩强度[8]。

3.2 形状记忆聚合物/碳纳米管复合材料

3.2.1 记忆聚合物/碳纳米管复合材料概述

一般而言，在形状记忆聚合物中添加无机填料能够明显改善其低强度、低恢复应力的缺点。碳纳米管纤维(CNT)具有较高的长径比，是常用的碳质填料，少量添加便能对复合材料起到增强作用[9]。因其具有良好的导热、导电性能，可通过加热或直接施加电流的方法对形状记忆复合材料产生刺激。

3.2.2 研究现状

目前，因为碳纳米管复合材料本身具有良好的性能以及其形状记忆功能，此材料已应用于航天器展开构件和工程机械领域。

3.3 形状记忆聚合物/碳纤维复合材料

3.3.1 形状记忆聚合物/碳纤维复合材料基本性能

传统纤维增强形状记忆复合材料的可恢复应变为1%～2%，主要考虑的是材料的承载性能，而不是材料在主动变形下的驱动特征。因此，常规树脂基复合材料主要用于结构承载，而不能作为类似于人工肌肉这种能产生主动大变形的驱动材料。而碳纤维形状记忆复合材料是应用于主动变形构件。

添加碳纤维后的形状记忆复合材料，经特定结构设计和适当调节增强相含量后，既具有较好的形状回复特性，又具有较好的的导电性[10]。

3.3.2 研究现状

目前，CTD公司、CRG公司和哈尔滨工业大学已开发出碳纤维增强环氧树脂形状记忆聚合物复合材料。这些电驱动的材料具有高的可回复变形率和高的弹性模量，但在高温等恶劣环境下难以满足使用要求。

3.4 形状记忆聚合物/短切玻璃纤维复合材料

2017年，刘云峰等以形状记忆聚氨酯为基体，短切玻璃纤维为增强填料制备复合材料[11]。结果表明，短切玻璃纤维能够提高形状记忆聚合物的弹性模量，且对其玻璃化转变的温度影响较小。并且，形状记忆复合材料的弹性模量随着短切玻璃纤维含量的提高而提升。当背景温度为36℃，短切玻璃纤维的质量分数为35%时，相较于形状记忆聚氨酯基体，其复合材料弹性模量提高了约381%。

4 现阶段形状记忆复合材料在汽车上的应用

4.1 形状记忆复合材料在汽车应用的特点分析

随着我国现代能源汽车驱动科学与制造技术的飞速进步和不断发展,人们对于电动汽车的驾驶舒适度、安全性等诸多方面都已经提出了更高的技术要求，传感器和驱动技术在汽车上得到了广泛应用。

通用汽车公司自90年代中期，就开始对形状记忆复合材料进行了广泛的应用和研究，目前已经申请200多项专利。其中，汽车工业应用场景对形状记忆复合材料有着独特需求.其未来潜在的应用领域见表1。

表1 形状记忆复合材料在汽车领域上的潜在应用

4.2 车用形状记忆复合材料具体应用

4.2.1 风扇离合器

汽车的冷却风扇离合器采用由形状记忆复合材料制作而成的元件。此形状记忆元件为热驱动，当将要通过风扇离合器的空气超过某一特定温度，螺旋弹簧将会受热膨胀，使带动风扇的离合器结合，从而达到预期的转速要求，使得发动机冷却。随着发动机温度降低，当经过螺旋弹簧的气流温度降低到某一特定温度后，螺旋弹簧将收缩，从而进行空转[13]。

4.2.2 汽车轮胎防滑装置

汽车轮胎的防滑钉会损坏无雪路面，因此，汽车产业在此方面应用了可根据路面温度状况伸缩的形状记忆复合材料防滑钉。当路面无积雪时，高速滚动的车胎在地面摩擦导致轮胎温度高，形状记忆防滑钉受热收缩，缩进轮胎；当路面有积雪时，轮胎温度降低，防滑钉受冷伸出轮胎，最终起到了既不损坏路面，又能便捷防滑的作用，形状记忆复合材料轮胎如图4所示。

图4 形状记忆复合材料轮胎

4.2.3 制动器储能装置

日本一些汽车公司将形状记忆复合材料制成的储能装置安装在制动器上，利用其超弹性将汽车制动和驻车制动中浪费掉的能量进行吸收储存，实现了降低油耗和保护环境的效果。

4.2.4 防燃料蒸发气体排放装置

当通电时，电磁线圈对由形状记忆复合材料构成的弹簧加热，弹簧在高温状态下进行形变，将阀打开排出气体；停止运行时，电磁力消失，温度降低，形状记忆弹簧回复在低温时的状态，其回复力将电磁阀关闭。

形状记忆复合材料在汽车领域的应用还有变速器补偿垫圈、A/C控制器、汽车雾灯保护装置、换挡压力控制阀等。

5 形状记忆复合材料未来发展方向和汽车中的应用趋势

形状记忆复合材料按驱动方式的不同划分，主要有4种：热驱动、电驱动、光驱动和溶液驱动[14]。其中热驱动形状记忆复合材料的激励形式简单、可回复形变量大，受到广泛地研究。而在某些需要精确控制材料变形特别是微变形的场合，电驱动往往比热驱动更加方便可行[10]，因其具有可远程控制、响应快速等优点，这也是形状记忆复合材料未来的发展方向，有着广阔的前景。

通过比对多种形状记忆复合材料的特性及当前的应用实例，形状记忆复合材料凭借其独有的形状记忆性能，为解决汽车轻量化与安全性能之间的矛盾提供了新方向。

在未来，形状记忆复合材料可作为1种缓冲吸能材料应用于汽车安全领域，当发生碰撞时，可以更好地进行乘员及车辆的保护。