一种可以变形的碳纤维复合材料——让飞机机翼挥动起来！

herahera 2020-06-05

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想象一下，风力涡轮机的叶片可以改变形状，在不同的风速下获得最大的效率，或者飞机的机翼可以弯曲和改变自己的形状，而不需要液压方向舵和副翼。

飞机的机翼可能像鸟的翅膀一样弯曲和改变形状

这是瑞典研究人员公布的一种碳纤维材料的两种潜在用途。

固态碳纤维复合材料能够在电子脉冲的帮助下改变形状，由英国皇家理工学院(KTH Royal Institute of Technology)的研究人员在最近发表在《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, PNAS)上的一项概念验证研究中证实了这一点。

该材料由商用碳纤维和结构性电池电解质制成，并使用锂离子插入物在低压下产生形状变化。悬臂装置中的概念验证材料用于显示变形，而分析模型则与实验观察结果具有良好的相关性。提出的概念显示出巨大的希望，并为刚性固态变形材料铺平了道路。

可以通过在两个或更多个稳定的几何形状之间变形来改变形状的结构在航空航天，在可再生能源和机器人等多种应用中均具有优势：例如，为飞机和风力涡轮机中的稳态条件调整空气动力学表面，以及部署卫星吊杆。当前最先进的变形技术的问题在于，它们使用重型机械马达，液压/气动泵或螺线管的系统来产生形状变化。这些系统增加了寄生重量，而且在机械上很复杂，增加了维护成本。降低机械复杂性的一种方法是使用固态变形材料。

已经有各种各样的材料表现出可控的固态形状改变能力。通常，致动装置可以根据致动力，应变，刚度，工作频率和效率以及其他参数来表征。压电材料已被证明具有很高的工作频率和可靠性。然而，它们通常是非结构性的，并且要依靠高工作电压来传递高促动力。伪电容致动材料能够在低工作电压下提供高致动频率和高致动应变。然而，它们最经常依赖于液体电解质进行操作，这降低了它们作为结构部件的使用。形状记忆合金是很好的驱动材料，并且已在航空航天的许多应用中得到证明。但是，它们的使用仅限于温度或压力变化会触发形状变化的应用。以上所有这些还依赖于恒定的电源来维持变形，这限制了它们在对能量敏感的应用中的使用。基于插层的驱动可以在低电压下提供高驱动力，以及在不需要持续供电的情况下保持变形的固有能力，称为零功率保持。然而，插层驱动装置受工作频率低的限制，依赖于液体电解质来允许离子在电极之间传输，这妨碍了在结构部件中的实际应用。

为了使变形结构得到更广泛的使用（从而实现更高效的设计），需要一种重量轻，刚度大，具有零功率保持，易于控制并可以集成到现有结构中的材料。可以满足这些需求的材料仍在构思中。

碳纤维是制造多功能材料的理想选择，碳纤维具有所有市售材料中最好的强度和刚度与重量比，并且具有导电性。聚丙烯腈基碳纤维的微观结构是涡轮层，由石墨和无定形碳组成。这种结构适合锂（Li）的存储，使碳纤维可用作锂离子电池的负极，具有良好的电化学效率。当通过众所周知的插入过程将锂插入到石墨的微观结构中时，石墨的线性膨胀幅度可达4.2%。但是，关于锂如何插入无定形碳尚无共识。对碳纤维的测量表明，当插入Li时，碳纤维会沿纤维方向最多膨胀1％。该膨胀是可逆的，并且与荷电状态近似线性，荷电状态与碳纤维中插入的Li的量相对应。电化学插入反应需要低电势。当没有电流流过时，光纤将保持膨胀状态，因此显示出零功率保持。这种膨胀是使用液体电解质产生线性致动的可能方式。另外，有研究表明，即使在重复进行1000次Li插入循环之后，碳纤维的机械性能仍不会受到很大影响。但是，为了实现固态变形材料，需要一种既能在纤维之间传递机械载荷又能传导离子的基质，从而实现碳纤维的电化学功能。

为了改善锂电池的导电性，安全性和稳定性，正在开发固体电解质。但是，它们在结构上性能低下，不能用于传递机械负载。最近已经开发出一种结构性电池电解质(SBE)，用于结构电池应用，该应用可以粘附到碳纤维上，传递机械载荷，传导Li离子，并允许Li插入碳纤维中。SBE由两个相组成：一个用于机械载荷转移的结构聚合物骨架和一个用于离子传导的液体，形成一个在纳米尺度上的互穿和渗滤网络（图1A）。可以通过选择SBE成分和固化工艺来调整其性能。因此，SBE满足了实现固态变形材料所需的多功能基体要求。

图1. 固相碳纤维复合变形材料悬臂结构。（A）SEM图像以及碳纤维和SBE的示意图。（B）复合材料由两层单向锂激活碳纤维层和一层陶瓷基锂离子电池隔板层组成。所有这三层都嵌入在SBE中。用光学显微镜捕获的材料的典型横截面也被显示出来。（C）通过施加电流，锂离子从一个碳纤维层排放到另一碳纤维层，导致放电层在纤维方向上收缩，并且充电层膨胀。这就产生了整体的弯曲变形。

这里介绍的变形材料是由两层Li活化碳纤维层组成的，它们之间通过商用陶瓷隔离层电绝缘，并嵌入SBE中以形成结构复合层压板（图1B）。通过施加电流，锂离子通过SBE从一个碳纤维层转移到另一碳纤维层，使放电层收缩，而充电层膨胀，从而使整个层压板发生弯曲运动（图1C）。 因此，变形机制由承载材料本身提供，从而形成真正的多功能材料，该材料几乎不会增加结构的寄生质量，并且可以电控。

延时视频显示变形的碳纤维材料在施加电流时发生变形。 1秒的视频对应于15分钟的实时时间。首先使用44.18 mAg-1的电流密度引起快速变形，最大尖端位移为14.4 mm，其次为14.5 mAg-1，最大尖端位移为35 mm。在施加电流之间不施加1小时的电流，以使离子浓度达到平衡。此处的悬臂长度为48 mm，碳纤维层的平均横截面为53.4μm，隔板的平均横截面为21.0μm。