車用形狀記憶復合材料現狀及未來發展趨勢

劉彥鵬 王童 陳軼嵩 金泰峰 付佩

（長安大學，汽車學院，西安710021）

主題詞：形狀記憶效應 形狀記憶聚合物復合材料 汽車

1 引言

隨著時代的進步與發展，智能材料技術作為新興材料，其獨特之處在于它們能夠通過身體擁有的感知到外界環境的變化并做出反應，如形狀記憶效應（Shape Memory Effect，SME）是指在某一特定條件下通過塑性變形后，加熱到一定溫度后，材料完全恢復到變形前的現象[1]。

形狀記憶聚合物與最早發現的形態記憶合金相比，它具有制造工藝簡單、響應速度快、質量輕、可回復形變量大等優點[2]。而形狀記憶復合材料與形狀記憶聚合物相比，它具有響應方式多樣化以及承載能力強等優點。通過向聚合物中添加功能顆?；蛟鰪娎w維的方式，可以制成形狀記憶聚合物復合材料（Shape Memory Polymer Composite，SMPC）[3]。

形狀記憶復合材料按向聚合物中添加不同物質得到復合材料的數量種類不同，可以分為2種：顆粒記憶增強復合材料和纖維記憶增強復合材料[4]。

（1）顆粒增強復合材料主要是通過在其中添加一定量的碳化硅納米顆粒實現。

（2）纖維增強復合材料則是通過添加碳納米管纖維、碳纖維和短切玻璃纖維來達到加強效果。

2 形狀記憶復合材料的記憶原理及特性

2.1 形狀記憶復合材料記憶原理

形狀記憶復合材料的記憶全過程為，當材料被加熱超過玻璃化轉變溫度后，使材料發生形變，為高溫形狀。此時對材料施加外力約束直到降低到低溫狀態，形變保留，當材料再次被加熱后，自身形狀逐漸變為高溫形狀。

其特性主要取決于材料中的兩相結構，即固定相和可逆相。其中固定相能夠實現保證材料的宏觀形狀以及相應剛度，其主要為記憶材料的初始形狀，保證材料的交聯處不發生變化；可逆相能夠保證材料在變形記憶過程中的較大形變以及保持其臨時形狀不變[5]，為連接2交聯處的鏈狀結構。

2.2 單程形狀記憶效應

形狀記憶復合材料可以在高溫下制成任意形狀。當變為低溫時，先進行形變處理，然后在高溫下加熱，變形還原，低溫下再重塑不能恢復為低溫時形狀。若要建立雙向外力效應，需要給其施加的任何外力恒定不變，稱為非本征雙向外力效應。因為單程效應具有極高的經濟性，在許多應用場合都已經普遍利用單向變形效應結合變形效應外力這樣的一種循環運動模型（圖1）。

圖1 單程形狀記憶效應

2.3 雙程形狀記憶效應

雙程形狀記憶效應是經由溫度的轉變來實現材料外形的轉變循環。即使在無任何外力的情況下，材料也能夠隨著溫度的變化，記憶2種不同的形狀（即高溫形狀與低溫形狀）。加熱時還原成高溫狀態，冷卻后還原成低溫狀態。溫度的上升和下降可以自發恢復高—低的形狀（圖2）。

圖2 雙程形狀記憶效應

2.4 全程形狀記憶效應

全程形狀記憶效應是指在高溫條件下呈現1個高溫的形狀，低溫條件冷卻時呈現相同但是取向正好完全相反的1種形狀。只能在富鎳的鈦-鎳合金中才能找到[6]（圖3）。

圖3 全程形狀記憶效應

形狀記憶復合材料除擁有上述特性外，還有價格低廉、驅動方式多樣化、回復性能優良的優點。

3 形狀記憶復合材料的分類

3.1 形狀記憶聚合物/SiC納米顆粒復合材料

3.1.1 記憶聚合物/碳納米管復合材料概述

形狀記憶聚合物具備變形能力強、形狀記憶效應好的優點。然而，與形狀記憶合金相比，它有低強度和低回復驅動的缺點。通過將碳化硅納米微粒在聚合物的基體上加入到材料中以提高該復合材料的彈性模量和回復性能，進而設計出了1種具有形狀記憶的復合材料。但是在納米顆粒含量大于40%時，形狀記憶復合材料的回復率會隨著納米粒子含量的增長而呈現有所降低的趨勢。

因為通過填充顆粒對形狀記憶材料的彈性模量和回復力貢獻有限，因此通過填充顆粒的形狀記憶復合材料一般被廣泛應用作為各種功能性材料[7]。

3.1.2 研究現狀

目前，華南理工大學江鴻杰等采用粉末冶金梯級燒結法研制出碳化硅增強的形狀記憶復合材料。經研究發現，該復合材料除彈性模量高，其具有穩定的線性超彈性和較高的基體壓縮強度[8]。

3.2 形狀記憶聚合物/碳納米管復合材料

3.2.1 記憶聚合物/碳納米管復合材料概述

一般而言，在形狀記憶聚合物中添加無機填料能夠明顯改善其低強度、低恢復應力的缺點。碳納米管纖維(CNT)具有較高的長徑比，是常用的碳質填料，少量添加便能對復合材料起到增強作用[9]。因其具有良好的導熱、導電性能，可通過加熱或直接施加電流的方法對形狀記憶復合材料產生刺激。

3.2.2 研究現狀

目前，因為碳納米管復合材料本身具有良好的性能以及其形狀記憶功能，此材料已應用于航天器展開構件和工程機械領域。

3.3 形狀記憶聚合物/碳纖維復合材料

3.3.1 形狀記憶聚合物/碳纖維復合材料基本性能

傳統纖維增強形狀記憶復合材料的可恢復應變為1%～2%，主要考慮的是材料的承載性能，而不是材料在主動變形下的驅動特征。因此，常規樹脂基復合材料主要用于結構承載，而不能作為類似于人工肌肉這種能產生主動大變形的驅動材料。而碳纖維形狀記憶復合材料是應用于主動變形構件。

添加碳纖維后的形狀記憶復合材料，經特定結構設計和適當調節增強相含量后，既具有較好的形狀回復特性，又具有較好的的導電性[10]。

3.3.2 研究現狀

目前，CTD公司、CRG公司和哈爾濱工業大學已開發出碳纖維增強環氧樹脂形狀記憶聚合物復合材料。這些電驅動的材料具有高的可回復變形率和高的彈性模量，但在高溫等惡劣環境下難以滿足使用要求。

3.4 形狀記憶聚合物/短切玻璃纖維復合材料

2017年，劉云峰等以形狀記憶聚氨酯為基體，短切玻璃纖維為增強填料制備復合材料[11]。結果表明，短切玻璃纖維能夠提高形狀記憶聚合物的彈性模量，且對其玻璃化轉變的溫度影響較小。并且，形狀記憶復合材料的彈性模量隨著短切玻璃纖維含量的提高而提升。當背景溫度為36℃，短切玻璃纖維的質量分數為35%時，相較于形狀記憶聚氨酯基體，其復合材料彈性模量提高了約381%。

4 現階段形狀記憶復合材料在汽車上的應用

4.1 形狀記憶復合材料在汽車應用的特點分析

隨著我國現代能源汽車驅動科學與制造技術的飛速進步和不斷發展,人們對于電動汽車的駕駛舒適度、安全性等諸多方面都已經提出了更高的技術要求，傳感器和驅動技術在汽車上得到了廣泛應用。

通用汽車公司自90年代中期，就開始對形狀記憶復合材料進行了廣泛的應用和研究，目前已經申請200多項專利。其中，汽車工業應用場景對形狀記憶復合材料有著獨特需求.其未來潛在的應用領域見表1。

表1 形狀記憶復合材料在汽車領域上的潛在應用

4.2 車用形狀記憶復合材料具體應用

4.2.1 風扇離合器

汽車的冷卻風扇離合器采用由形狀記憶復合材料制作而成的元件。此形狀記憶元件為熱驅動，當將要通過風扇離合器的空氣超過某一特定溫度，螺旋彈簧將會受熱膨脹，使帶動風扇的離合器結合，從而達到預期的轉速要求，使得發動機冷卻。隨著發動機溫度降低，當經過螺旋彈簧的氣流溫度降低到某一特定溫度后，螺旋彈簧將收縮，從而進行空轉[13]。

4.2.2 汽車輪胎防滑裝置

汽車輪胎的防滑釘會損壞無雪路面，因此，汽車產業在此方面應用了可根據路面溫度狀況伸縮的形狀記憶復合材料防滑釘。當路面無積雪時，高速滾動的車胎在地面摩擦導致輪胎溫度高，形狀記憶防滑釘受熱收縮，縮進輪胎；當路面有積雪時，輪胎溫度降低，防滑釘受冷伸出輪胎，最終起到了既不損壞路面，又能便捷防滑的作用，形狀記憶復合材料輪胎如圖4所示。

圖4 形狀記憶復合材料輪胎

4.2.3 制動器儲能裝置

日本一些汽車公司將形狀記憶復合材料制成的儲能裝置安裝在制動器上，利用其超彈性將汽車制動和駐車制動中浪費掉的能量進行吸收儲存，實現了降低油耗和保護環境的效果。

4.2.4 防燃料蒸發氣體排放裝置

當通電時，電磁線圈對由形狀記憶復合材料構成的彈簧加熱，彈簧在高溫狀態下進行形變，將閥打開排出氣體；停止運行時，電磁力消失，溫度降低，形狀記憶彈簧回復在低溫時的狀態，其回復力將電磁閥關閉。

形狀記憶復合材料在汽車領域的應用還有變速器補償墊圈、A/C控制器、汽車霧燈保護裝置、換擋壓力控制閥等。

5 形狀記憶復合材料未來發展方向和汽車中的應用趨勢

形狀記憶復合材料按驅動方式的不同劃分，主要有4種：熱驅動、電驅動、光驅動和溶液驅動[14]。其中熱驅動形狀記憶復合材料的激勵形式簡單、可回復形變量大，受到廣泛地研究。而在某些需要精確控制材料變形特別是微變形的場合，電驅動往往比熱驅動更加方便可行[10]，因其具有可遠程控制、響應快速等優點，這也是形狀記憶復合材料未來的發展方向，有著廣闊的前景。

通過比對多種形狀記憶復合材料的特性及當前的應用實例，形狀記憶復合材料憑借其獨有的形狀記憶性能，為解決汽車輕量化與安全性能之間的矛盾提供了新方向。

在未來，形狀記憶復合材料可作為1種緩沖吸能材料應用于汽車安全領域，當發生碰撞時，可以更好地進行乘員及車輛的保護。

6 結語

通過綜述、分析該領域的研究成果，可以發現，形狀記憶復合材料的添加材料類型不同，其特性不同，各有優劣。目前研究熱點主要集中于如何更好地實現電驅動形狀記憶復合材料的性能提升及制備。

本文通過剖析形狀記憶復合材料在汽車領域的應用，發現形狀記憶復合材料本身所具有的形狀記憶特性只有通過與常規材料相結合，才能夠得到充分利用。

目前的研究主要集中在以下的3個方面：

（1）如何在汽車零部件中應對電子控制裝置的競爭；

（2）如何降低形狀記憶復合材料的成本；

（3）如何更好地將研究與開發形狀記憶復合材料工作與汽車工程研究人員合作配合。

雖然我國在醫學應用領域的形狀記憶復合材料研發處于世界上領先地位，但在汽車應用領域與國際的先進制造水平還存在著一定差距。未來，隨著我國在形狀記憶復合材料與汽車產業的深入融合，車用形狀記憶復合材料將有更廣闊的發展空間。