智能复合材料与结构-文档资料

3
智能材料的构想来源于仿生（仿生就是模仿大自 然中生物的一些独特功能制造人类使用的工具，如模 仿蜻蜓制造飞机等等），它的目标就是想研制出一种 材料，使它成为具有类似于生物的各种功能的“活” 的材料。因此智能材料必须具备感知、驱动和控制这 三个基本要素。但是现有的材料一般比较单一，难以 满足智能材料的要求，所以智能材料一般由两种或两 种以上的材料复合构成一个智能材料系统。这就使得 智能材料的设计、制造、加工和性能结构特征均涉及 到了材料学的最前沿领域，使智能材料代表了材料科 学用于航空、航天系统可以消除系统的有
害振动，减轻对电子系统的干扰，提高系统的可靠性。 如美国防高级研究计划局资助波音公司研制的直升机 智能结构旋翼叶片，可以改善旋翼的空气动力学性能， 减小振动和噪音。智能结构用于舰艇，可以抑制噪声 传播，提高潜艇和军舰的声隐身性能。智能结构用于 地面车辆，可以提高军用车辆的性能和乘坐的舒适度。 国外正在研究的具有减振降噪功能的智能结构，主要 由压电陶瓷、形状记忆合金和电致伸缩等新材料制成。
2
具体来说智能材料需具备以下内涵：
（1）具有感知功能，能够检测并且可以识别外界（或 者内部）的刺激强度，如电、光、热、应力、应变、化 学、核辐射等； （2）具有驱动功能，能够响应外界变化； （3）能够按照设定的方式选择和控制响应； （4）反应比较灵敏、及时和恰当。 （5）当外部刺激消除后，能够迅速恢复到原始状态。
6
（6）自修复能力（Self-recovery） 能通过自繁殖、自生长、原位复合等再生机制，
来修补某些局部损伤或破坏。 （7）自调节能力（Self-adjusting）
对不断变化的外部环境和条件，能及时地自动 调整自身结构和功能，并相应地改变自己的状态和 行为，从而使材料系统始终以一种优化方式对外界 变化作出恰如其分的响应。
9
智能复合材料的构成：
(1 )基体材料
基体材料主要起承受载荷的作用 ,一般选用轻质材 料 ,其中高分子材料因重量轻、耐腐蚀等优点而受到 人们的重视。也可选用金属材料 ,尤其以轻质有色合 金为主。
(2 )传感器部分(敏感材料)
传感器部分由具有感知能力的敏感材料构成。它的 主要作用是感知环境的变化 ,如温度、压力、应力、电 磁场等 ,并将其转换为相应的信号。这种材料有形状记 忆合金、压电材料、光纤、磁致伸缩材料、ＰＨ致伸 缩材料、电致变色材料、电致粘流体、磁致粘流体、 液晶材料、功能梯度材料和功能塑料合金。
14
目前，在各种军事领域中，智能材料的应用主 要涉及到以下几个方面：
（1）智能蒙皮
例如光纤作为智能传感元件用于飞机机翼的智能蒙 皮中，或者在武器平台的蒙皮中植入传感元件、驱动元 件和微处理控制系统制成的智能蒙皮，可用于预警、隐 身和通信。
目前美国在智能蒙皮方面的研究包括：美国弹道导 弹防御局为导弹预警卫星和天基防御系统空间平台研制 含有多种传感器的智能蒙皮；美空军莱特实验室进行的 结构化天线（即把天线与蒙皮结构融合在一起）研究； 美海军则重点研究舰艇用智能蒙皮，以提高舰艇的隐身 性能。
10
(3 )驱动器部分
构成驱动器部分的驱动材料如形状记忆合金、磁致伸 缩材料、ＰＨ致伸缩材料、电致伸缩材料等。在一定的 条件下可产生较大的应变和应力 ,从而起到响应和控制 的作用。可以根据温度、电（磁）场等的变化而改变其 形状、尺寸、位置、刚性、自然频率、阻尼以及其它一 些力学特征，因而可具有对环境的自适应功能。
18
智能结构制成的自适应机翼（可变形机翼）， 能够实时感知外界环境的变化，并可以驱动机翼弯 曲、扭转，从而改变翼型和攻角，以获得最佳气动 特性，降低机翼阻力系数，延长机翼的疲劳寿命。 如当飞机在飞行过程中遇到涡流或猛烈的逆风时， 机翼中的智能材料就能够迅速变形，并带动机翼改 变形状，从而消除涡流或逆风的影响，使飞机仍能 平衡地飞行。
4
智能材料的特征
因为设计智能材料的两个指导思想是材料的多
功能复合和材料的仿生设计，所以智能材料系统具
有或部分具有如下的智能功能和生命特征：
（1）传感功能（Sensor） 能够感知外界或自身所处的环境条件，如负载、
应力、应变、振动、热、光、电、磁、化学、核辐
射等的强度及其变化。
（2）反馈功能（Feedback） 可通过传感网络，对系统输入与输出信息进行
下面图5和图6示出美国宾夕法尼亚州立大学技术研 究所在MAS项目支持下为洛克希德·马丁公司的变形折叠 机翼设计和制造的应用于折叠机翼和前缘襟翼的压电驱 动器。
27
28
29
(5)智能材料与住宅智能化
未来的住宅：墙壁可以随心所欲地变换颜色； 椅子可以随人体不同的需要改变温度和形状；一切 的电器都是触摸式的，永远不会再有触电的危险； 可视电话带有传感功能；……。随着智能材料的发 展，智能化住宅已经不再只是梦想。虽然目前还处 于设想阶段，但是已经开始着手进行研究，并且必 然将在不久的将来成为现实。
令，具有执行和完成功能，所以单一材料不可能实现，
往往要由多种材料组元复合构成。智能复合材料是信息
科学融入材料科学的产物。
1
智能复合材料结构是一类集成有传感元、 驱动元的主动材料系统 ,除了具有感知、驱动 功能外 ,还同时具有自动控制和计算学习的功 能。这种基于仿生学概念发展起来的最先进 的复合材料 ,能够适时地感知和调整材料的各 种状态 ,以适应内外环境的变化 ,实现自检测、 自诊断、自调节、自恢复、自我保护等多种 特殊功能。
19
美国的一项研究表明，在机翼结构中使用磁致伸 缩致动器，可使机翼阻力降低85%。美国波音公司和 麻省理工学院联合研究在桨叶中嵌入智能纤维、电致 流变体时可使桨叶扭转变形达几度。美国陆军在开发 直升机旋翼主动控制技术，将用于RAH-66武装直升机。 美国防部和航空航天局也在研究自适应结构，包括翼 片弯曲、弯曲造型/控制面造型等。
25
26
新型压电作动器 在MAS项目中，DARPA还资助发展一种新型压电作
动器，称之为“紧凑式混合驱动器项目（CHAP）"，这 种作动器相对于传统的驱动器来说体积非常小、功效却 很大。体积小将带来很大优势，因为如果采用大体积的 驱动器，其连接机构也将非常大，势必大幅增加机翼重 量，有效功率将大大减小。
相信在不久的将来我们用智能材料制成的飞机机 翼，就可以像鱼尾巴一样行动自如，自行弯曲、自动 改变形状，从而改进升力和阻力，使飞机飞得更高、 更快。
20
变形机翼技术
将新型智能材料、新型驱动器、激励器、传感 器无缝地综合应用于飞行器的一种新的设计概念。 变形机翼通过应用灵敏的传感器和驱动器，光滑而 持续地改变机翼的形状，对不断改变的飞行条件做 出响应，从而可使飞机像鸟一样随意地在空中进行 盘旋、倒飞和侧向滑行。
30
多功能砖
多功能砖用来构建整个房屋的结构单元，这种结构单 元具有变通性和智能性。这种多功能砖的第一层是功能层， 能感受来自周围的声能、热能、光能，并能控制这些能量的 输出，如果是内墙壁砖的话，还能控制和改变墙的功能；第 二层是通讯层，能为居住者提供内外通信联系的通道，第三 层是输送通道，可以用来输送水和其它材料。住户还可以挑 选合适的带“面膜”的砖材。面膜是砖材的最上层，可以使 墙壁产生不同的色彩和图案；传感膜可以接收声波、热能和 可见光并予以减弱或增强；地膜可产生耐久的色彩和图案； 界面膜可连接内外通信线路。面膜的设置及其构形并不是一 成不变的，而是很容易剥离并换上新的面膜。
22
部件使新一代军用飞机能够用于执行多种形式的作 战任务。其长远目标是设计一种续航能力比"全球鹰 "无人机更强、机动性比F/A-22战斗机更好的飞机。 项目第一阶段的合同由三家主承包商承担，分别是 洛克希德·马丁公司的折叠机翼概念；Hypercomp公 司/新一代航空技术公司提出的"滑动蒙皮"变形机翼 概念，利用海军的"火蜂"无人机机体作为验证平台; 以及雷声公司的压缩机翼概念，采用美军"战斧"巡 航导弹作为试验平台。
7
分类：
复合材料智能结构分为被动控制式 和主动控制式两类。
被动控制式智能结构低级而简单（亦 称为机敏结构），只传输传感器感受到 的信息，如应变、位移、温度、压力和 加速度等，结构与电子设备相互独立。
8
主 动 控 制 式 是 一 种 智 能 化 结
构，具有先进而复杂的功能， 能主动检测结构的静力、动力 等特性，比较检测结果，进行 筛选并确定适当的响应，控制 不希望出现的动态特性。
环境变化声音光热力辐射化学等传感器部分具有检测声波光波力温度化学浓度辐射强度的敏感元件信息处理器部分驱动器部分具有机械运动流体运动电能磁能化学能改变强度的功能元件生产线输入输出控制77332智能复合材料的设计方法根据智能复合材料的应用和目标提出智能复合材料的系统智能特性选择基体材料和传感器部分处理器部分驱动器部分的机敏材料4建立数学和力学模型对智能复合材料系统进一步优化5进行理化测试检验材料的功能
13
在军事领域中的应用
智能材料结构不仅象一般功能材料一样可以 承受载荷，而且它还具有了其他功能材料所不 具备的功能，即能感知所处的内外部环境变化， 并能通过改变其物理性能或形状等做出响应， 借此实现自诊断、自适应、自修复等功能。所 以，智能材料在军事应用中具有很大潜力，它 的研究、开发和利用，对未来武器装备的发展 将产生重大影响。
15
（2）结构监测和寿命预测
智能结构可用于实时测量结构内部的应变、温度、 裂纹，探测疲劳和受损伤情况，从而能够对结构进行监 测和寿命预测。例如，采用光纤传感器阵列和聚偏氟乙 烯传感器的智能结构可对机翼、机架以及可重复使用航 天运载器进行全寿命期实时监测、损伤评估和寿命预测； 空间站等大型在轨系统采用光纤智能结构，可实时探测 由于交会对接碰撞、陨石撞击或其他原因引起的损伤， 对损伤进行评估，实施自诊断。
第3章 智能复合材料 （ICM）与结构
3.1 概述
定义：
智能复合材料(Intelligent CM, Smart Materials)与结
构是在复合材料基础上发展起来的一项高新技术，它是
一种由传感器、信息处理器和功能驱动器等部分构成的
新型复合材料。不同于结构材料和功能材料，它能通过
自身的感知，获取外界信息，作出判断和处理，发出指
智能材料又可以称为敏感材料，其英文翻译也有若 干种，常用的有Intelligent material、Intelligent material and structure、Smart material、Smart material and structure、Adaptive material and structure等。
21
飞机在巡航时通常要求机翼具有高展弦比和大 机翼面积，而要想保持飞行速度快，就要求低展弦 比和小的机翼面积。变形机翼的概念就是把二者的 特点结合在一起，使机翼面积能够在50%到150%之 间变化。变形机翼能够从根本上改善飞机的巡航和 冲刺能力，以及飞行机动能力。
美国防部预先研究计划局2003年启动"变形飞机 结构（MAS）"项目，旨在通过在飞行中改变飞机 的气动外形使飞机在执行不同任务或在不同飞行包 线时的飞机性能都保持在最佳状态，即通过变形飞
23
24
形状记忆聚合物（SMP）新型材料 在变形机翼设计中最重要的因素是一种称作形状记忆聚
合物（SMP）的特殊材料，这种材料主要用作变形机翼的蒙 皮。SMP具有一种特殊的记忆功能，当机翼被改变为不同形 状布局后，SMP分子将会重新组构以恢复其初始形状（如图 4所示）。SMP材料的初始形态，也就是它的“记忆”形状 是一种刚性体即高模量形态。当它受热、高频光或电激励后 将变成一种低模量弹性体，从而可被驱动器和特殊的控制装 置伸展成不同的形状，当它再次被激励后，它将恢复到它的 原来的高模量形态。
(4)信息处理器部分
信息处理器部分是智能复合材料的最核心部分。随 着高度集成的硅晶技术的发展 ,信息处理器也变得越来 越小 ,这就为将信息处理器复合进智能复合材料提供了 良好的条件。
11
12
应用：
由于复合材料的可设计性强，加之智能 结构与先进复合材料的制造方法相同，因此 可根据实际应用情况的需要，重新将已用于 航空航天等结构中的复合材料部件进行智能 化处理，这样可从根本上解决复合材料构件 其结构运行中出现的较难克服的问题（如振 颤、应力集中、损伤检测等）。
17
（4）环境自适应结构
固定翼飞机在起飞和降落时需要升降副翼； 在 遇 有阵 风 等 情 况 时 ， 飞 机 翼 片 的 受 力 分 布 将 发 生 变 化 ， 从 而不 能 始 终 保 持 最 佳 升 力 /阻 力 比 。 这 些 显 而 易 见 的 事 实 都说 明 飞 机 在 不 同 的 飞 行 状 态 和 飞 行 条 件 下 需 要 不 同 的 机型 和 翼 型 。
对比，并将其结果提供给控制系统。
5
（3）信息识别与积累功能 能够识别传感网络得到的各类信息并将其积累
起来。 （4）响应功能
能够根据外界环境和内部条件变化，适时动态 地作出相应的反应，并采取必要行动。 （5）自诊断能力（Self-diagnosis）
能通过分析比较系统目前的状况与过去的情况， 对诸如系统故障与判断失误等问题进行自诊断并予 以校正。