智能材料在军事领域的应用

智能材料在军事领域的应用

智能材料（Intelligent material），是一种能感知外部刺激，能够判断并适当处理且本身可执行的新型功能材料。。智能材料在目前文献中的提法大都为机敏材料( Smart Material )、机敏结构( Smarts Structure)、自适应结构 (A daptive Strueture)、智能材料( Intelligent Material )、智能结构( Intelligent Strueture),这些概念国内外至今尚无统一的定论。不容质疑智能材料是未来的重要科学领域。此次来介绍智能材料在军事领域的应用。

作为一种新兴技术材料,智能材料的应用日益引起人们的广泛兴趣,在军事、医学、建筑和纺织服装等领域都有着广阔的发展前景。

智能材料在军事应用中具有很大的潜力,其研究、开发和利用,对未来武器装备的发展将产生重大影响。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。

一·

智能蒙皮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。1985年美国空军的“预测计划II”首先提出了光纤智能蒙皮/结构的概念。随着进一步的研究发展,1994年美国空军动力飞行实验室进行了结构飞行演示,麦道公司对F-15战斗机的外侧前缘、F-18战斗机的蒙皮进行了智能结构飞行

试验。目前,为了未来的弹道导弹监视和预警卫星系统,美国弹道导弹防御局正在研究在复合材料蒙皮中植入核爆光纤传感器、X射线光纤探测器、激光传感器、射频天线等多种传感器的智能蒙皮。这种智能蒙皮可以被安装在天基防御系统空间平台的表面上,实时监视和预警来自敌方的各种威胁,美国空军莱特实验室正在把一个承载天线结合到表层结构中,与传统外部嵌置的天线相比,这种一体化结构的天线能够有效提高飞行器的空气动力性能、减轻飞行器结构重量和体积、提高天线性能、降低生产成本和维修费用。该计划预计在2013年进行模型样机的试飞。

二·结构检测和寿命预测

智能结构可以对构件内部的应变、温度、裂纹进行实时测量,探测其疲劳和受损伤情况,从而实现对结构进行监测和对寿命进行预测。光纤具有尺寸小、质量轻、可挠曲、耐腐蚀,不受电磁干扰,与复合材料有良好相容性等特点,且灵敏度高、耐高温,易实现远距离测量而受到人们的青睐。目前一些先进国家采用光纤智能材料与结构进行复合材料的状态检测与损伤估计,即在材料或结构的关键部位埋置光纤传感器或其阵列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。压电元件由于既可作传感器又可作驱动器,频响高,处理电路简单,近年来基于压电元件的结构损伤实时在线检测成为国际上的热点。美国斯坦福大学采用分布式压电传感器、驱动器进行了复合材料结构所受冲击机

冲击损伤情况的研究,荷兰国家宇航实验室、美国波音公司、美国Sandia及LosAlamos国家实验室等研究机构也都在进行这方面的研究。

形状记忆合金(SMA)应用于智能复合材料是由于其在低温下的形状记忆功能和其在高温下的超弹性,应用最为广泛的是NiTi合金。美国应用SMA制成了夹心结构树脂基复合材料用于“柔性机翼”。该机翼在各种飞行速度下可自动保持最佳翼型,提高飞行效率,并可自行抑制出现的危险振动。

三·减振降噪

智能结构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;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。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。如Lord 公司用超磁致伸缩材料研制的一套智能减震系统,安装在飞机发动机支架上,使机舱内的噪声减小20dB以上[7]。将压电材料置入飞机机身内,当飞机遇到强气流而振动时,压电材料便产生电流,使舱壁发生和原来振动方向相反的振动,抵消气流引起的振动噪音[6]。 (4)环境自适应结构由智能结构制成的自适应飞机机翼,能实时感知外界环境的变化,同时驱动机翼发生弯曲、扭转以改变翼型和攻角,从而获得最佳的气动特性,自适应机翼将大大减轻重量,提高响应速度,减少转弯半径,改善雷达散射截面,增大升阻比。例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。美国Grumman飞机公司用超磁致伸缩智能型材料作驱动组元制造的自适应机翼模型,其响应速度比传统的液压系统提高了20倍,后缘倾转60%,航程增加了35%。美国波音公司和麻省理工学院联合研究出在桨叶中嵌入智能纤维,可使电致流变体时桨叶扭转变形达几度。

四·雷达波智能隐身材料

雷达是迄今为止最为主要和有效的远程电子探测设备，随着雷达技术的改进和发展，现代雷达对各种军用目标构成了致命的威胁，雷达波隐身仍然是目前隐身技术发展的重点，雷达波智能隐身是雷达波隐身发展的一个重要方向。对于目标而言，可能同时面临着多部雷达的威胁和探测，面对这种局面，材料的单一化雷达被动隐身已经越来越不能适应现代战争的要求，有些国家对雷达波智能隐身的研究已经取得了一定的成果。据报道，用智能纤维增强的一种导电聚合物作为隐身的结构材料在雷达波智能隐身中得到了应用，不仅降低了雷达散射的截面，同时还把飞机的质量减轻了５０％，并对声波也具有良好的隐身效果。雷达波智能隐身的一大热点是动态适应雷达吸波材料，该种材料能够感应入射的电磁波，实时调节材料的电磁参数，使材料吸收峰处在人射波电磁频谱，以对特定频率电磁波的强吸收。英国谢菲尔德大学研制的一种成分ＰＡＮｉ．ＨＢＦ４，ＰＥＯ（ｐｏｌｙ—ｅｔｈｙｌｅｎｅ—ｏｘｉｄｅ），银（１２％，质量分数）和ＡｇＢＦ（１２％，质量分数）的导电聚合物Ｊ，对于含４０％ＰＡＮｉ．ＨＢＦ的

导电聚合物，该导电聚合物能够作为动态自适应雷达吸波材料，其本质在于对其施加电压后其电磁参数可以调节，其原理是一旦对导电聚合物施加电压后会发生如下反应：ＰＡＮｉ．ＨＢＦ＋Ａｇ＿￣ＰＡＮｉ．Ｈ。＋ＡｇＢＦ，其中左边易导电，右边不易导电，施加电场后向易导电的方向发展。通过施加电压不同，调节了导电聚合物的电磁参数，从而能够使电磁波在聚合物内的波长发生改变，用两层导电聚合物配置成Ｊａｕｍａｎｎ雷达吸收体－６』，上层厚度为ｄ，下层厚度为ｄ，每层导电聚合物的电磁参数都可以调节，这样可使该吸收体具备了宽频下强吸收的能力。图１为吸收峰可调的两层Ｊａｕｍａｎｎ雷达吸收体每层最佳的电阻与频率关系图。图２为用导电聚合物配置的Ｊａｕｍａｎｎ雷达吸收体在施加不同电压后，其反射率与频率的关系。