哈工大冷劲松院士团队：面向火星探测的环氧形状记忆聚合物复合材料的性能研究

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张豆, 刘立武, 徐鹏飞, 赵印中, 李奇峰, 兰鑫, 张风华, 王林林, 万雪, 邹昕, 曾成均, 辛晓洲, 戴雯煦, 李莹, 何延春, 刘彦菊, 冷劲松. 面向火星探测的环氧形状记忆聚合物复合材料的性能研究. 力学进展, 2023, 53(1): 239-255

Zhang D, Liu L W, Xu P F, Zhao Y Z, Li Q F, Lan X, Zhang F H, Wang L L, Wan X, Zou X, Zeng C J, Xin X Z, Dai W X, Li Y, He Y C, Liu Y J, Leng J S. Study on epoxy-based shape memory polymer composites for Mars explorations. Advances in Mechanics, 2023, 53(1): 239-255

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研究背景

火星作为距离地球较近的行星之一被认为在大约40亿年前拥有与地球相似的地质和气候条件、拥有孕育生命的可能性。探索火星变成现在“荒漠行星”的原因对研究地球的自然演变、生命起源和演化具有指导意义。因此火星探测势在必行。形状记忆聚合物复合材料作为典型的先进功能材料，可在有效减轻载荷的同时实现自主变形，极大地提高结构的智能化水平，将推动我国深空探测工程的技术革新。

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研究亮点

为了评估碳纤维增强的环氧基形状记忆聚合物复合材料应用于火星探测任务的可能性，采用静态拉伸实验、动态热机械分析和形状记忆性能测试评估了空间辐照和长期存储对形状记忆聚合物复合材料性能的影响。其中，空间辐照包括γ射线(5x105 rad)和紫外射线(23.6 kCal)。长期存储分为低温-196 ℃、室温25 ℃和高温85 ℃存储1个月，和低温-196 ℃存储15个月两组。所研究材料在室温下的弹性模量和拉伸强度在处理前后未发生明显变化，保持在5.5 GPa和160 MPa左右；玻璃化转变温度以不超过6%的波动范围稳定在143 ℃；形状固定率和回复率均保持在99%以上。采用上述智能材料驱动着陆平台国旗装置的释放，并搭载我国首次火星探测工程“天问一号”于火星表面成功释放五星红旗。

着陆平台国旗装置在火星上展开五星红旗(以红色框线示出). (a) “中国印记”图, (b)“着巡合影”图

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未来展望

着陆平台国旗装置在火星上实现了五星红旗的可控动态展开，展开后的国旗在火星风的沐浴下迎风飘扬，为我国探测器在火星上打下“中国标识”。使我国成为世界上首个将形状记忆聚合物复合材料智能结构应用于深空探测工程的国家。标志着我国在智能材料及其航天器结构的应用领域处于世界前列。未来，相关技术有望应用于我国空间站建设、探月工程、载人登月、火星探测、木星探测、小行星探测、冰巨星探测等重大航天工程领域。

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作者简介

刘彦菊

刘彦菊，哈尔滨工业大学航天学院航天科学与力学系教授、博士生导师，入选教育部长江学者、新世纪优秀人才支持计划、国家重大人才工程。中国复合材料学会智能复合材料专业委员会主任、国际先进材料与制造工程学会大陆总会理事、《Smart Materials and Structures》副主编。自1993年起一直致力于智能材料与结构领域的研究，在智能聚合物及其复合材料、力学理论、智能主动变形结构设计以及智能结构的应用等方面，取得系统性创新研究成果。发表SCI论文200余篇，获授权国家发明专利70余项，获得国家自然科学二等奖1项。

冷劲松

冷劲松，智能材料和复合材料力学专家、中国科学院院士、欧洲科学院外籍院士(Foreign Member of Academia Europaea)、欧洲科学与艺术院院士(Member of the European Academy of Sciences and Arts)、国家重大人才工程入选者、国家杰出青年基金获得者、国家百千万人才工程入选者。长期从事智能材料制备、力学分析、结构设计及其应用研究，主要包括智能传感与驱动器材料（光纤传感器、形状记忆聚合物和电致活性聚合物）、多功能纳米复合材料、智能变形结构（智能空间展开结构、可变形飞行器结构）、智能生物医学器件、4D打印技术、软体机器人、振动主动控制和结构健康监测等。建立形状记忆聚合物复合材料的本构理论，发明多种形状记忆聚合物材料及智能主动变形结构，在天问一号火星探测器取得成功应用，研制4D打印心脏封堵器等多种生物医学器件。

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研究团队介绍

本工作依托哈尔滨工业大学航天学院智能材料与结构团队。团队负责人为冷劲松院士，现有教授6人，副教授6人，讲师/助理研究员3人，博士生、硕士生70余名。主要从事智能材料力学、结构设计及工程应用研究，包括智能传感与驱动器材料（光纤传感器、形状记忆聚合物、电致活性聚合物）、多功能纳米复合材料、智能变形结构（空间展开结构、可变形飞行器结构、可变形模具结构）、生物相容智能材料及医学领域应用（生物支架、组织工程支架、血管支架等）、4D打印技术、软体机器人、振动主动控制、结构健康监测等。研制的形状记忆聚合物及其智能空间展开结构已在天问一号火星探测器进行验证应用。团队主持国家自然科学基金重点项目、杰出青年科学基金、面上项目、黑龙江省头雁团队等多项科研项目。在《Science》《Advance Materials》《Composites Science and Technology》等期刊发表论文300余篇、授权国家发明专利120余项。获国家自然科学二等奖等多项科研奖励。