一种基于光驱动的可展开柔性机构及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种基于光驱动的可展开柔性机构及其制备方法，所述可展开柔性机构是由平板状结构沿单一方向卷绕折叠形成，包括紧密贴合的活性层和惰性层；所述活性层的热膨胀系数为所述惰性层的热膨胀系数的5～18倍；所述活性层中包含光响应填料和平行均匀分布的低膨胀系数(热膨胀系数为3

【技术实现步骤摘要】
一种基于光驱动的可展开柔性机构及其制备方法


[0001]本专利技术属于可展开机构
，涉及一种基于光驱动的可展开柔性机构及其制备方法。

技术介绍

[0002]从可展开机构的应用方面来讲，由于受到运载火箭载荷舱的空间及运载能力的限制，各种空间探测设备，例如大型天线、太阳能帆板等都是以折叠压缩状态送入太空的，然后展开并组装成所需要的几何构形。因此，可展开机构由于其便于运输的特点，在航天航空领域得到了广泛应用，这也使得小体积、轻质的空间探测设备发展成为一种趋势。这类机构通常具有两种稳定的状态，即完全折叠/折叠的状态和完全展开成平直的状态，当成折叠状态时，这种机构整体的体积较小，进入工作环境后，机构在自身或外界驱动力作用下逐步展开，达到完全展开的工作状态。
[0003]从材料方面来讲，传统的空间探测机构大多都是采用不同刚性构件连接而成的，通过这些构件之间运动从而发生相对运动。随着科学技术的发展进步，人们对于空间探索探测设备的机构要求也越来越高，由最初的刚性机构，转变为半刚性，以及现在越来越多的薄膜结构的空间探测机构，这一趋势的发生主要是由于可展开机构薄膜的质轻体小、便携的优点。
[0004]从驱动形式来讲，无论是刚性可展开机构还是薄膜状可展开机构，都需要一定的驱动力来促使该可展开机构发生状态的改变。刚性机构一般采用的驱动方法都是机械外力驱动，众所周知，能源短缺是人类迫在眉睫需要解决的问题，因此能源利用和材料开发是当今的研究热点。与其他外部刺激相比，光驱动的响应方式具有无线控制、光源丰富、波长选择性强等明显优点，此外它还是一种清洁能源，具有易于切换和精确操作的特性。
[0005]目前关于可展开机构的研究：专利CN202010392299.5、CN202010010219.5中涉及到的可展开机构都是刚性的，且结构设计较为复杂，大多需要刚性铰链和刚性杆构成，该可展开机构展开过程中冲击大且质量较重。专利CN 201910787715.9提供了一种薄膜天线人形杆环状可展开机构，但是该薄膜的展开和收缩都是依靠复杂的驱动系统完成的，该驱动系统包括驱动装置、齿轮传动装置、滚筒传动装置等，这种驱动装置不仅质量和体积较大而且结构设计也较为复杂。
[0006]整体而言，目前在柔性薄膜可展开机构方面，尤其是以光为驱动方式的薄膜状驱动器在空间探测设备领域方面的应用尚没有完善的研究，并且随着空间探测需求和要求的提高，传统的刚性或者半刚性的可展开机构存在质量大、机构繁琐和制备成本较高的缺陷。因此，为了满足空间探测的需求，设计一种制备方法简单、结构简单、低价、节约能源以及折叠程度(收纳比)较大的，并且集合结构和功能一体化的光驱动全柔性可展开机构是至关重要且具有实用价值的。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是解决现有技术中存在的上述问题，提供一种结构简单、低价、折叠程度大、节约能源的结构/功能一体化的光驱动全柔性空间可展开机构及其制备方法。本专利技术基于光致驱动器优异的驱动性能，设计了一种空间可展开机构，该可展开机构可应用于诸如太阳能帆板、月球车、天线等空间探测设备中。本专利技术的柔性可展开机构，具有制备简单、无线控制、光源丰富、波长选择性强、轻量化、节约空间等优点。
[0008]为达到上述目的，本专利技术采用的方案如下：
[0009]一种基于光驱动的可展开柔性机构，所述可展开柔性机构是由平板状结构沿单一方向卷绕折叠形成(类似于胶带的卷绕过程)；所述可展开柔性机构在光照条件下可完全展开为平板状结构；所述平板状结构的正投影面为矩形；所述平板状结构包括紧密贴合的活性层和惰性层；
[0010]所述活性层的热膨胀系数为所述惰性层的热膨胀系数的5～18倍，若膨胀系数之差太小，则在光照以后产生的驱动力过小，不能够使该可展开机构发生展开行为；
[0011]所述活性层中包含光响应填料和平行均匀分布的低膨胀系数的纤维/纱线，光响应填料的加入可以增加光热转换效率，低膨胀系数纤维/纱线的加入可以束缚薄膜的折叠方向；所述纤维/纱线平行排列在所述活性层内部；所述纤维/纱线的铺层的方向垂直于所述可展开柔性机构的折叠方向；
[0012]所述低膨胀系数的纤维/纱线是指热膨胀系数为3
×
10
‑6～8
×
10
‑6℃
‑1的纤维/纱线，所述低膨胀系数的纤维/纱线的热膨胀系数小于所述活性层的热膨胀系数。
[0013]作为优选的技术方案：
[0014]如上所述的一种基于光驱动的可展开柔性机构，所述活性层为双层结构，且第一层由所述光响应填料、聚合物a和所述纤维/纱线组成，第二层由聚合物a组成；所述惰性层由聚合物c组成；
[0015]所述第一层中，所述光响应填料的质量为所述聚合物a的1％～5％；此时光热效应较好；
[0016]所述第一层和所述第二层之间的厚度差值为0.1～0.2mm，且第一层的厚度小于第二层的厚度，第一层的厚度比第二层的小，是为了让第二层聚合物a的热膨胀系数发挥更大的作用，因为第一层中由于纤维和光响应物质的添加，使得这一层的热膨胀系数低于第二层，如果第一层太厚，则不利于光照驱动展开；
[0017]所述紧密贴合是指所述活性层的第一层、所述活性层的第二层和所述惰性层依次紧密贴合。
[0018]如上所述的一种基于光驱动的可展开柔性机构，所述活性层为单层结构，所述活性层由所述光响应填料、聚合物a和所述纤维/纱线组成；所述惰性层由聚合物c组成；
[0019]所述活性层中，所述光响应填料的质量为所述聚合物a的1％～5％。此时光热效应较好。
[0020]如上所述的一种基于光驱动的可展开柔性机构，所述聚合物a为聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚偏氟乙烯(PVDF)和聚甲基丙烯酸甲酯中的一种；
[0021]所述光响应填料为碳纳米材料、金纳米粒子、银纳米粒子、偶氮苯和偶氮苯衍生物的一种；
[0022]所述聚合物c为聚酰亚胺和聚对苯二甲酸乙二醇酯中的一种；
[0023]如上所述的一种基于光驱动的可展开柔性机构，所述惰性层的厚度为0.7～1.05mm，所述惰性层的厚度是所述活性层厚度的1/5～1/4。这主要是因为惰性层厚度太大，则其刚度也会变大，从而造成驱动困难，因此这一层厚度应为活性层厚度的1/5～1/4。
[0024]如上所述的一种基于光驱动的可展开柔性机构，所述纤维/纱线的排列密度为50～100根/10cm；所述纤维/纱线为聚酰亚胺纤维/纱线、玻璃纤维/纱线或碳纤维/纱线。其中，聚酰亚胺纤维/纱线的密度为1.43～1.52g/cm3，线密度50D～200D；强度16～28cN/dtex，弹性模量为2～4GPa。该纤维/纱线不仅能满足本专利技术中低热膨胀系数的要求，还能满足该专利技术作为空间可展开机构在空间上的力学、热学以及化学稳定性等方面的要求。，纤维/纱线铺层密度也决定了折叠程度的大小，密度越大，折叠程度越大，但是并不是铺层密度越大越好，过大的铺层密度会使得薄膜刚性过大，柔软度减小，从而造成折叠和驱动困难的问本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光驱动的可展开柔性机构，其特征是：所述可展开柔性机构是由平板状结构沿单一方向卷绕折叠形成；所述可展开柔性机构在光照条件下能够完全展开为平板状结构；所述平板状结构包括紧密贴合的活性层和惰性层；所述活性层的热膨胀系数为所述惰性层的热膨胀系数的5～18倍；所述活性层中包含光响应填料和平行均匀分布的低膨胀系数的纤维/纱线；所述纤维/纱线平行排列在所述活性层内部；所述纤维/纱线铺层的方向垂直于所述可展开柔性机构的折叠方向；所述低膨胀系数的纤维/纱线是指热膨胀系数为3
×
10
‑6～8
×
10
‑6℃
‑1的纤维/纱线，所述低膨胀系数的纤维/纱线的热膨胀系数小于所述活性层的热膨胀系数。2.根据权利要求1所述的一种基于光驱动的可展开柔性机构，其特征在于，所述活性层为双层结构，且第一层由所述光响应填料、聚合物a和所述纤维/纱线组成，第二层由聚合物a组成；所述惰性层由聚合物c组成；所述第一层中，所述光响应填料的质量为所述聚合物a的1％～5％；所述第一层和所述第二层之间的厚度差值为0.1～0.2mm，且第一层的厚度小于第二层的厚度；所述紧密贴合是指所述活性层的第一层、所述活性层的第二层和所述惰性层依次紧密贴合。3.根据权利要求1所述的一种基于光驱动的可展开柔性机构，其特征在于，所述活性层为单层结构，所述活性层由所述光响应填料、聚合物a和所述纤维/纱线组成；所述惰性层由聚合物c组成；所述活性层中，所述光响应填料的质量为所述聚合物a的1％～5％。4.根据权利要求2或3所述的一种基于光驱动的可展开柔性机构，其特征在于，所述聚合物a为聚二甲基硅氧烷、聚偏氟乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯中的一种；所述光响应填料为碳纳米材料、金纳米粒子、银纳米粒子、偶氮苯和偶氮苯衍生物的一种；所述聚合物c为聚酰亚胺和聚对苯二甲酸乙二醇酯中的一种。5.根据权利要求1所述的一种基于光驱动的可展开柔性机构，其特征在于，所述平板状结构为矩形；所述惰性层的厚度为0.7～1.05mm，所述惰性层的厚度是所述活性层厚度的1/5～1/4。6.根据权利要求1所述的一种基于光驱动的可展开柔性机构，其特征在于，所述纤维/纱线的排列密度为50～100根/10cm；所述纤维/纱线为聚酰亚胺纤维/纱线、玻璃纤维/纱线或碳纤维/纱线。7.根据权利要求1所述的一种基于光驱动的可展开柔性机构，其特征在于，所述可展开柔性机构在光照条件下可完全展开时对应的收纳比为0.05～0.35 。8.如权利要求1～7中任一项所述的一种基于光驱动的可展开柔性机构的制备方法，其特征是：先将所述纤维/纱线排列在玻璃板上，再将原料I刮涂...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄耀丽，邵慧奇，蒋金华，陈南梁，于清华，苏传丽，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：