智能材料的研究现状与未来发展趋势

智能材料的研究现状与未来发展趋势

作者：邓焕

来源：《科学与财富》2017年第36期

摘要：智能材料这一概念在上世纪80年代首次被提出，近年来，关于智能材料在航空航天领域的研究与应用被频繁提及。由于智能材料具备着结构整体性强、可塑性高、功能多样化等优点，因此在航空航天领域得到了广泛的研究与使用，首先根据功能性的不同对智能材料进行了系统的分类与概述，然后对当前智能材料在航空航天领域的主要应用进行了系统性的分析与总结，最后对智能材料在未来的航空航天的应用前景中进行了进一步地展望。

关键词：智能材料；复合材料；航空航天；功能多样化

1 引言

进入二十一世纪以来，全球各大航空航天强国在航天航空领域投入了大量的研发资金，而作为航空航天领域重要环节的航天材料，近年来也不断有着新的突破，而其中被提及最多的就是智能材料在航空航天领域的应用。在智能材料的范畴中，智能复合材料最具有代表性，智能复合材料主要具备着：外界环境感知功能；判断决策功能；自我反馈功能；执行功能等。此外，由于当前智能复合材料都向着轻量化、低成本化的方向发展，因此在航天领域复合材料的设计结构以及使用用途上都有着不同的侧重发展方向。而近年来国内外各国也均加快了各自在该领域的研发使用发展进度，主要的研究大方向还是集中在了智能检测、结构稳定性、低成本化等方向上，本文着重对相关部分进行系统性的概述与总结。

2 航空航天领域智能复合材料的功能介绍

在航空航天领域中，国内外普遍利用智能复合材料以实现在降低航空航天飞行器的自身重量的前提下保证系统结构的稳定性，其次根据复合智能材料具备智能检测自身系统内部工作状态和自愈合等功能实现航空航天材料在微电子与智能应用方向的交叉发展。

2.1 智能复合材料在航天结构检测方向的应用

智能复合材料在航空航天器中的应用，主要是通过将传感器以嵌入的方式与原始预浸料铺层以及湿片铺层等智能复合材料紧密键合，最终集成在控制芯片控制器上实现对整个系统的实时监控诊测、自我修复等供能，值得注意的是，在这一过程中，智能化不仅仅是符合材料的必要功能，复合材料在很大程度上可以有效承受比传统应用材料更大外界机械压力[1]。

除此之外，由于智能复合材料作为传感器的铺放衬底，因此智能复合材料还可以实现对整个材料内部结构的状况进行收集并且将出现的诸如温度异常、结构异常、表面裂痕等隐患及时

反馈至中央处理器，这在一定程度上可以有效实现整个系统内部的检测与寿命预测，在这方面的技术上，美国的Acellent公司研发的缠绕型复合材料以压力感应的形式，按照矩形布线形式对整个飞船的壳体实现损伤检测，其中主要根据检测到的损伤前后信号的差异进行归一化处理，对反馈的信号进行侦测辨认，最终确定损伤位置以及损伤的程度采集。此外有研究表明，一种型号为FGB的传感器与复合材料黏贴于飞行器的外部元器件表层，可以有效实现对飞行器发射与返航过程中的实时压力监控与温度过载监控，从而有效获得飞行器的剩余寿命期限[2]。

2.2 智能复合材料在航空自愈能力方向的应用

航空航天飞行器在飞行过程中不仅仅要受到外部压力对自身的结构影响，还会在高速飞行状态下对飞行器表层产生细微的微观损伤，这些细节部分的损伤往往不容易发现，但是这些损伤的积累将会直接影响整个系统使用状态的下降，并且会对系统的安全带来极大的隐患。而且考虑到整个飞行器的开发投入成本较大，保障其使用寿命首当其冲，因此采用具备着自愈合能力的智能复合材料实现整个系统的稳定性和可靠性是一个重大的发展方向。传统的修复手段主要是对出现损伤的部分实现机械修复，但是宏观层面的修复该种方法尚可维持，但是往往飞行器内部的微观损伤很难通过该种方法实现修复，因此使用复合材料实现飞行器内部精密器件的自我愈合具有着重要的意义。而关于具备着自我愈合功能的复合材料的自我愈合方式主要有原位自修复和埋植式自修复两种，关于原位自修复，它主要是材料本身就具备自修复功能，直接可以对自身内部与外部损伤部位实现系统性的修复；而关于埋植式修复，则是模仿了生物系统修复能力的一种修复能力对自身损伤部分进行指定性修复，这种修复手段的好处在于可以根据压力和温度的指标将自身分散的一种修复剂流入相关损失部位与表面催化剂发生聚合反应实现表面裂纹修复和内部损伤修复的双重功效[3]。

2.3 形状记忆复合材料的航天领域应用

形状记忆复合材料具备着优异的形状记忆回复能力，而且其展开过程较为平缓，不会对结构本体产生较为剧烈的振动影响，保证了系统的稳定性，从而最终为航天飞行器的运载稳定性提供了有效的保障。

关于航天飞行器中的空间展开性研究主要包括了套筒式空间可伸展机构、桁架式空间可伸展机构和充气式空间可展开机构.在航天器中，传统折叠式空间展开与结构锁定都是通过铰链实现的，但是记忆复合材料的介入可以实现更为智能化的代替。

常见的空间展开结构还有：套筒式空间可伸展机构一般通过螺旋传动系统传动，一般在高功率运载条件下，滚动螺旋传动的工作方式可以有效实现帆板展开之后具备着较好的自身刚度强度。桁架式空间可伸展机构一般可分为两类，即构架式空间可伸展机构和桁架式天线可展开机构.其中构架式空间可展开机构又可分为两类：压盘杆展开机构和铰链杆展开机构. 压盘杆展开机构用弹性杆件，以周向盘旋方式进行收拢[4]。

所谓记忆性复合材料在空间伸展结构中的应用，主要是指的记忆复合材料制作而成的铰链，这些铰链主要应用于太阳能电池帆板展开过程中，更加有效地实现帆板在不同条件下的展开角度以及展开面积等，在美国这方面的研究已经有了显著的进展，而国内的的这方面研究也由哈尔滨工业大学等军工院校实现突破性的研发进展，目前地面试验已经基本完成，并且朝着下一步快速发展[5]。

3. 智能复合材料在航空领域的应用

3.1 军工军机领域的智能复合材料的应用

目前以美国为首的西方国家的四代战机已经研发成熟，我国的四代战机也在深度耕耘着，在四代战机中，战机自身的稳定性与隐身性能是主要的研发方向，这里面离不开智能复合材料的应用。当前国内外新一代的战机机身普遍开始普及复合材料的使用，主要是利用了智能复合材料的结构轻便并且具备隐形特性的优点，机身质量的减轻很大程度上提高了战机的续航能力，保证了远程目标打击实现的可能性，而复合材料提供的隐身特性则可以进一步保证战机作战过程中自身的隐蔽性，为战机的安全带来了保障。

在军机中常用到的智能复合材料例如当前使用较为普及的碳纤维增强树脂基复合材料，此前该材料通常使用在军机的辅助结构部件上面，但是随着近年来这方面的技术手段进一步提升，在军机的一些主要零部件以及主要机身部位开始逐渐采用碳纤维增强树脂基复合材料来提升军用飞机的抗腐蚀性和它自身的抗疲劳性，最终实现减轻整体机身的重量，提升飞行的高效性的作用。以国外的比较先进的四代战机F22为例，因为其自身巡航过程中超音速巡航时长存在，在这一过程中，高速飞行带来的飞机表层空气剧烈摩擦聚热现象严重，普通材料在这一条件下因为不能承受高温甚至会带来起火的隐患，因此采用智能复合材料例如双马来酰亚胺树脂基体材料可以很大幅度提高机身表面的耐热特性，为超音速飞行中的安全提供有效的保障[6]。

3.2 民航民机领域的智能复合材料的应用

智能复合材料在民航客机中的应用和军机的使用不尽相同，主要是因为它们自身所履行的智能准则不同，民航客机以载客作为自身主要运载职能，对于安全性、舒适性、稳定性有着更高的要求，因此智能复合材料应用在民航客机后给乘客所带来的自身体验感很大程度上会制约智能复合材料的应用。并且当前关于智能复合材料应用在民航客机上的各方面参数也并不多数，据了解，民航客机上智能复合材料的应用目前做的比较前沿的主要有波音公司和空客两家航空巨头，这里面主要使用到的就是结构型智能复合材料和机身内部的复合材料，这两家公司在机身内部的复合材料的使用占比最高目前可达52%，这已经是目前商用客机中智能复合材料占比最高的案例。

4智能材料在航空航天领域的未来发展前景