纳米复合材料最新研究进展与发展趋势

智能复合材料最新研究进展与发展趋势

1.绪论

智能复合材料是一类能感知环境变化，通过自我判断得出结论，并自主执行相应指令的材料，仅能感知和判断但不能自主执行的材料也归入此范畴，通常称为机敏复合材料。智能复合材料由于具备了生命智能的三要素：感知功能(监测应力、应变、压力、温度、损伤) 、判断决策功能(自我处理信息、判别原因、得出结论) 和执行功能(损伤的自愈合和自我改变应力应变分布、结构阻尼、固有频率等结构特性) ，集合了传感、控制和驱动功能，能适时感知和响应外界环境变化，作出判断，发出指令，并执行和完成动作，使材料具有类似生命的自检测、自诊断、自监控、自愈合及自适应能力，是复合材料技术的重要发展。它兼具结构材料和功能材料的双重特性。

在一般工程结构领域，智能复合材料主要通过改变自身的力学特性和形状来实现结构性态的控制。具体说就是通过改变结构的刚度、频率、外形等方面的特性，来抑制振动、避免共振、改善局部性能、提高强度和韧性、优化外形、减少阻力等。在生物医学领域，智能复合材料可以用于制造生物替代材料和生物传感器。在航空航天领域，智能复合材料已实际应用于飞机制造业并取得了很好的效果，航天飞行器上也已经使用了具有自适应性能的智能复合材料。智能复合材料在土木工程领域中发展也十分迅速。如将纤维增强聚合物（FRP）与光纤光栅（OFBG）复合形成的FRP—OFBG 复合筋大大提高了光纤光栅的耐久性。将这种复合筋埋入混凝土中，可以有效地检测混凝土的裂纹和强度，而且它可以根据需要加工成任意尺寸，十分适于工业化生产。本文阐述了近年来发展起来的形状记忆、压电等几种智能复合材料与结构的研究和应用现状，同时展望了其应用前景。

2.形状记忆聚合物（Shape-Memory Polymer）智能复合材料的研究

形状记忆聚合物（SMP）是通过对聚合物进行分子组合和改性，使它们在一定条件下，被赋予一定的形状（起始态），当外部条件发生变化时，它可相应地改变形状并将其固定变形态。如果外部环境以特定的方式和规律再次发生变化，它们能可逆地恢复至起始态。至此，完成“记忆起始态→固定变形态→恢复起始态”的循环，聚合物的这种特性称为材料的记忆效应。形状记忆聚合物的形变量最大可为200％，是可变形飞行器

机翼实现大变形所需蒙皮材料的首选。形状记忆聚合物形状回复的实现不仅可以还可以通过其它激励方式（包括电、光、磁等），其中电激励驱动方式是目前研究的热点和难点之一。

文献[3-5]中，采用两种新的方式实现了形状聚合物材料的电致驱动。采用混杂纤维提高材料内部导电网络的形成几率；镍粉在磁场诱导下所形成的链状结构能极大的提高形状记忆复合材料的导电能力。

近年来，形状记忆聚合物的合成趋于成熟，一些形状记忆聚合物复合材料元件已经完成原理性演示验证，并已初步获得型号上的应用。美国冲击号卫星( Encounter spacecraft) 已经于2006年发射并将形状记忆材料用于天线结构的展开。已发射的美国智能微型可操控卫星( DiNO Sat) 太阳能电池帆板和美国RoadRunning卫星的太阳能电池板帆板也应用形状记忆聚合物复合材料铰链进行驱动。装有形状记忆聚合物复合材料展开梁的FalconSat－3大气观测卫星，也预计于2011 年左右由美国空军实验室发射。美国航空航天局( NASA) 的空气推进实验室( JPL) 也研究了直径为10 米的智能空间可展开天线，该形状记忆聚合物复合材料在太阳能或附带电能驱动下控制天线的在轨展开，并进一步保持天线展开后的形状，该计划在2010 年左右验证。另外，NASA 的先进概念研究所也正在大力资助空间网状智能可展开结构的研究，以期在未来几年内得到广泛的军事和商业应用。此外，形状记忆聚合物复合材料在制造空间可展开桁架上也有大量的应用。

3.压电智能复合材料(Macro Fiber Composites)的研究

压电纤维复合材料是由美国航空航天局(NASA)研究中心开发出来的，主要是克服Active Fiber Composites(AFC)的制作困难，将块状的压电陶瓷切割成条状后，埋裹于环氧树脂基体中，因此可以大幅度提高压电陶瓷的组成率。MFC复合材料相对地保有特定方向致动和弹性的优点，同时有相当高的致动效率。MFC材料压电原件具有柔韧、轻质、高效、制造容易等优点，更重要的是可应用于曲面结构。

文献中提到MFC应用于动力学机构变形，驱动一仿生鱼的鱼尾，使其在水中达到1.33cm／s的前进速度。

MFC复合材料可应用于主动振动控制、动力学结构变形、微定位、结构健康监测、力传感以及能量收集等方面。

压电材料压电介质作为机电换能材料，以其独特的优越性能，正受到越来越多的重视，具有相当广阔应用前景。然而，采用压电智能驱动器或耗能器对土木工程结构控制进行研究才开始起步，由于土木工程结构极其庞大复杂，所以将压电智能驱动装置实际应用到土木结构的控制中还存在不少的急待解决的问题，系统集成化方面比较欠缺，而且由于压电材料自身的缺点，也阻碍了运用压电陶瓷驱动器进行土木工程结构振动控制的工程实用化进程，如过小的位移行程，灾害时能源的供应问题等。

4.光纤维智能复合材料(Fibre-Optic Smart Composites )的研究

光纤智能复合材料是目前国内外研究较多的一种智能材料结构，它将光纤传感器和驱动器以及有关信号处理器和控制电路集成在复合材料结构中，通过机、光、电、热等激励和控制，不仅具有承受载荷的能力，而且具有识别、分析、处理及控制等多种功能，能进行自诊断、自适应、自学习、自修复的材料结构。将光纤传感器、形状记忆合金和控制电路埋入复合材料结构中，就构成了一种简单的智能材料结构，它的智能控制系统是由光纤传感器、微处理器和形状记忆合金所组成，根据嵌入复合材料中的光纤传感器传感回路改变时使光纤信号发生变化，这些变化的信号直接反映了材料内部的状态，利用计算机对这些信号进行处理，就可以判断出材料内部微观结构所处的状态，控制电路根据所得到的信息指挥记忆合金动作，从而使结构改变形状以更好地适应承载的需要，使结构处于最佳的工作状态。

将光纤进行处理后埋入复合材料结构中，可以对复合材料在制作过程中的内部温度的变化以及树脂填充情况进行监测，在结构制作完成后，埋置于其中的光纤可以对复合材料结构进行非破损检测，还可以作为永久的传感器实现对复合材料结构终生健康!监测，另外光纤传感器还可用于飞行器隐形。目前美国空军正在大力开发一种采用光纤传感器的隐形飞机灵巧蒙皮，其工作原理是将光纤埋入复合材料中，光纤端面位于材料表面，其中一部分为接收光纤，另一部分为发光光纤，发光光纤发射出不在红外探测器探测范围的光波，在远离材料的表面形成一道光波墙，达到隐形的目的，而接收光纤主要用来接收制导激光信号，便于及时采取干扰措施。

5．总结与展望

智能复合材料是高技术的综合，在各方面都具有常规材料无法比拟的优势：结构、功能、信息的集成化；性能改善、响应灵敏、可靠耐久；仿生功能、体微价廉、环境友