玻璃纤维增强环氧树脂形状记忆复合材料在玻璃化转变温度以下的编程特性及其性能优化研究

本研究针对传统形状记忆聚合物(SMP)在低温编程时易脆裂、变形能力差的问题，创新性地采用短切玻璃纤维增强环氧基复合材料，通过低于玻璃化转变温度(Tg)的编程工艺，显著提升了材料的形状固定率(Sf)和恢复应力，同时系统研究了纤维含量对热导率、比热容等热性能的影响，为航空航天可变刚度结构等需要大变形能力的应用提供了新材料解决方案。

　　

在智能材料领域，形状记忆聚合物(SMP)因其可编程变形特性备受关注，但传统材料存在"鱼与熊掌不可兼得"的困境：要么在高温下才能变形但能耗高，要么低温时容易脆裂。特别是在航空航天领域，像可变后掠翼这样的应用既需要材料能承受大变形，又要在低温环境下保持稳定性能。更棘手的是，现有纤维增强SMP大多采用热编程(高于T_g温度)，不仅耗能高，还可能导致纤维取向不均匀。这些痛点严重制约了SMP在精密结构中的应用。

为破解这一难题，国内研究人员开展了一项创新研究，开发出短玻璃纤维增强环氧基形状记忆聚合物复合材料(SMPC)。他们独辟蹊径地在低于玻璃化转变温度(T_g)的条件下进行编程，通过添加柔性线性聚合物Neopentyl Glycol Diglycidyl Ether(NGDE)改善材料低温脆性，系统研究了纤维含量对材料性能的影响规律。这项发表在《Journal of Polymer Materials》的研究，为开发新一代低能耗、高性能智能复合材料提供了重要参考。

研究团队主要采用了四项关键技术：通过动态机械分析(DMA)测定T_g和热膨胀系数；利用激光闪光分析仪(LFA)测量热导率和比热容；采用数字图像相关(DIC)技术精确测量形状记忆性能参数；结合扫描电镜(SEM)分析纤维-基体界面特性。所有试样均通过磁力搅拌和真空除泡工艺制备，确保纤维分散均匀。

【机械性能】研究发现，添加15%玻璃纤维使材料在30°C下的拉伸模量提升3倍(0.31→0.96 GPa)，但断裂应变从66%骤降至9%。有趣的是，在40°C(低于T_g)时，材料呈现最佳延展性，7.5%纤维含量的试样断裂应变达50%，完美平衡了强度与变形能力。

【微观特性】SEM图像揭示了三个关键现象：随机分布的纤维增强各向同性性能；纤维表面残留的基体痕迹证实良好界面结合；同时存在纤维断裂和拔出现象，解释了强度与韧性的此消彼长。通过独创的Python程序分析发现，纤维平均长度随含量增加从0.79mm降至0.50mm。

【热性能】DMA测试显示，15%纤维含量使T_g从61.4°C升至64.1°C。LFA测试表明，相同条件下热导率提升39%，但比热容降低20%。特别值得注意的是，橡胶态的线性热膨胀系数骤降79%，这对温度波动环境的应用至关重要。

【形状记忆性能】在40°C编程条件下，10%纤维含量的试样展现出最佳综合性能：形状固定率达88.6%，虽比纯树脂降低6.8%，但恢复应力提升91%(4.48 MPa)。这种"高固定-适度恢复"的特性，恰好满足航空航天结构对形状稳定性和作动力的双重需求。

这项研究的重要意义在于，首次系统论证了低于T_g编程在纤维增强SMP中的可行性，建立了纤维含量-微观结构-宏观性能的定量关系。通过精确调控纤维含量(7.5-10%)和编程温度(40°C)，实现了材料强度、变形能力和形状记忆性能的优化匹配。特别是发现的中温(40°C)延展增强效应，为开发新型低能耗智能结构开辟了新途径。研究提出的材料体系，既保留了短纤维增强的各向同性优势，又通过分子设计克服了低温脆性，在可变翼面、空间可展开结构等领域具有广阔应用前景。未来通过优化纤维表面处理和长度分布，有望进一步提升材料的循环使用性能。