CC BY
71Крупногабаритные трансформируемые конструкции космических аппаратов
УДК 629.78.083
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ПОЛИМЕРОВ С ПАМЯТЬЮ ФОРМЫ В КОСМИЧЕСКОЙ ИНДУСТРИИ
О. А. Исеева1, М. С. Писарев1, В. В. Двирный1, Г. Г. Крушенко2' 3
1 АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52 2Красноярский научный центр СОРАН Институт вычислительного моделирования СОРАН Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50/44 3Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
Е-mail: [email protected]
В течение последних десятилетий можно наблюдать растущий интерес к классу интеллектуальных материалов. Полимеры с памятью формы имеют способность изменять свою форму в ответ на внешний импульс, что актуализирует их использование в космической среде, поскольку они демонстрируют более высокую жесткость с низкой плотностью по сравнению с обычными материалами.
Ключевые слова: полимер с памятью формы, умные материалы, самовосстановление, вязкоупругое состояние, демпфирование, сэндвич-панель.
PROSPECTS OF APPLICATION OF SHAPE MEMORY POLYMERS IN THE SPACE INDUSTRY
O. A. Iseeva1, M. S. Pisarev1, V. V. Dvirniy1, G. G. Krushenko2
1JSC Academician M. F. Reshetnev Information Satellite Systems 52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation 2Krasnoyarsk Science Centre SB RAS Institute of Computational Modelling SB RAS 50/44, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation 3Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation Е-mail: [email protected]
Intelligent materials have found a growing interest in recent decades. SMP have the ability to change their shape in response to an external impulse, which actualizes their use in the space industry, as they exhibit higher rigidity with a low density in comparison with other materials.
Keywords: shape memory polymer, smart materials, self-healing, viscoelastic state, damping, sandwich panel.
Введение. В последние годы все шире внедрение в конструкции космических аппаратов умных материалов. Доминантным признаком умных материалов является «эффект памяти формы». Этот эффект заключается в том, что упомянутые материалы после принудительного изменения формы способны восстанавливать первоначальную форму в результате возвращения исходного физического состояния.
Особенности термомеханического поведения полимеров с памятью формы связаны с наличием релаксационного перехода: стеклования при охлаждении и размягчения при нагреве. В высокоэластическом состоянии макромолекулы полимера обладают повышенной сегментарной подвижностью, в связи с чем возможно проявление больших обратимых деформаций. При стекловании подвижность молекулярных сегментов значительно снижается. Это приводит, во-первых, к повышению жесткости материала: модуль Юнга многих полимеров увеличивается на два порядка. Во-вторых, позволяет сохранить созданную в вы-
сокоэластическом состоянии деформацию. При деформировании высокоэластичного материала сегменты макромолекул занимают новое равновесное положение, и после охлаждения с последующим снятием нагрузки они уже не обладают достаточной свободой для возвращения в исходное состояние. При этом если между макромолекулами имеется достаточное количество сшивок (поперечных связей химической или физической природы), обеспечивающих сохранение их положения относительно друг друга, то в процессе последующего нагрева наблюдается восстановление недеформированной формы [1].
Полимеры с памятью формы имеют широкий спектр применения, например, приводы, электромеханические системы, преобразование и развертывание космических конструкций, управление структурами, самовосстановление и т. д. Использование композитных материалов в аэрокосмической промышленности все больше увеличивается, поскольку они часто демонстрируют более высокую жесткость с низкой
Решетневскуе чтения. 2018
плотностью по сравнению с обычными материалами. Тем не менее, они обычно имеют низкие динамические показатели из-за их высокой жесткости и низких характеристик демпфирования. Контроль и снижение шума и вибраций тем самым находятся в центре текущих проблем. Много исследований было сосредоточено на композитных структурах, изготовленных на основе вязкоупругих материалов для обеспечения затухания вибрации [2-4]. Было проведено множество исследований с целью оптимизации конструкции многослойных структур путем изменения толщины вязкоупругого слоя, ориентации волокна или соотношения сторон структуры.
В работе [5] подчеркивается удивительная способность демпфирования полимера с памятью формы путем его использования в сложных структурах, таких как сэндвич-панели. Эти возможности проверяются не только при моделировании конечных элементов, но и экспериментально. Проверяется способность КЭМ с использованием температурно-временной суперпозиции представлять поведение сэндвича. Широкий диапазон частот и температур был исследован в эксперименте и моделировании, результаты демонстрируют впечатляющие демпфирующие свойства композитного сэндвича.
Методика, предложенная в статье [5] , применима к любому вязкоупругому материалу, проявляющему частотные и температурно-зависимые свойства с высоким демпфированием.
Заключение. Полимеры с памятью формы известны уже несколько десятилетий. Цикл памяти формы включает в себя этапы создания «замороженного» деформированного состояния в процессе охлаждения, разгрузки и последующего восстановления оригинальной формы при нагреве. У полимеров с памятью формы есть способность изменять свою форму в ответ на внешний импульс, чаще всего термическую активацию. Когда полимер с памятью формы нагревается выше температуры стеклования Tg, он мягкий и эластичный, и его легко изменить. Если полимер с памятью формы затем охлаждается ниже Tg, он сохраняет заданную форму (характеристику фиксации формы). При нагревании выше Tg материал автономно возвращается к своей первоначальной постоянной форме.
Сегодня интеллектуальные материалы все чаще используются для квазистатических и динамических состояний в различных температурных диапазонах, что требует тщательных исследований свойств материала в широких частотных диапазонах и диапазонах температур.
Инструментами влияния на характер восстановления формы являются варьирование скорости охлаждения/нагрева, величины прикладываемой деформации, времен выдержки на различных этапах, а также неполное охлаждение и нагрев, так что процесс стеклования оказывается незавершенным. В связи с этим во многих работах материалы с памятью формы рассматриваются с точки зрения программирования их свойств на этапе восстановления [1].
Библиографические ссылки
1. Тихомирова К. А., Труфанов Н. А. Экспериментальное обоснование определяющих соотношений для аморфного полимера с памятью формы при больших деформациях // Вестник ПНИПУ. Механика. 2015. № 2. С. 151-163.
2. Hogsberg, J. B. Explicit solution for the natural frequency of structures with partial viscoelastic treatment [Электронный ресурс] // Mechanics of Advanced Materials and Structures. 2016. Vol. 23, Iss. 7. P. 784-790. URL: http://orbit.dtu.dk/files/127799172/hogsberg_2016_vis-coelastic_frequency_postprint.pdf (дата обращения: 12.08.2018).
3. Grootenhuis P. The control of vibrations with vis-coelastic materials [Электронный ресурс] // Journal of Sound and Vibration. 1970. Vol. 11, Issue 4. P. 421-433. URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/ S0022460X70800049#aep-article-footnote-id1 (дата обращения: 12.08.2018).
4. Aumjaud P., Smith C., Evans K. A novel viscoelas-tic damping treatment for honeycomb sandwich structures [Электронный ресурс] // Composite Structures. 2015. Vol. 119. P. 322-332. URL: https://clck.ru/ EHdGW (дата обращения: 12.03.2018).
5. Pauline Butaud. Sandwich structures with tunable damping properties: On the use of Shape Memory Polymer as viscoelastic core [Электронный ресурс] / Butaud Pauline, Foltete Emmanuel, Ouisse Morvan // Composite Structures. 2016. Vol. 153. P. 401-408. URL: www.elsevier.com/locate/compstruct (дата обращения: 12.03.2018).
References
1. Tihomirova K. A., Trufanov N. A. [Experimental substantiation of the determining relationships for a shape memory amorphous polymer at large deformations].
Vestnik PNIPU. Mehanika. 2015. No. 2. P. 151-163. (In Russ.)
2. Hogsberg J. B. Explicit solution for the natural frequency of structures with partial viscoelastic treatment. Mechanics of Advanced Materials and Structures. 2016. Vol. 23, No. 7. P. 784-790. Available at: http://orbit.dtu. dk/files/127799172/hogsberg_2016_viscoelastic_frequenc y_postprint.pdf (accessed: 12.08.2018).
3. Grootenhuis P. The control of vibrations with vis-coelastic materials. Journal of Sound and Vibration. 1970. Vol. 11, No. 4. P. 421-433. Available at: https:// www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022460X70 800049#aep-article-footnote-id1 (accessed: 12.08.2018).
4. Aumjaud P. A novel viscoelastic damping treatment for honeycomb sandwich structures. Composite Structures. 2015. Vol. 119. P. 322-332. Available at: https://clck.ru/EHdGW (accessed: 12.03.2018).
5. Pauline Butaud, Emmanuel Foltete, Morvan Ouisse. Sandwich structures with tunable damping properties: On the use of Shape Memory Polymer as vis-coelastic core. Composite Structures. 2016. Vol. 153. P. 401-408 Available at: www.elsevier.com/locate/ compstruct (accessed: 12.03.2018).
© Исеева О. А., Писарев М. С., Двирный В. В., Крушенко Г. Г., 2018
