智能复合材料

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两类。 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） 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 只传输传感器感受到的信息，如应变、位移、温度、 和加速度等，结构与电子设备相互独立。 和加速度等，结构与电子设备相互独立。 主动控制式是一种智能化结构， 主动控制式是一种智能化结构 ， 具有先进而复杂的功 能主动检测结构的静力、动力等特性，比较检测结果， 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。 进行筛选并确定适当的响应，控制不希望出现的动态特性。
智能复合材料
复材0903 26~30号
定义： 定义： 智能复合材料(Intelligent CM, Smart Materials)与结 智能复合材料 与结 构是在复合材料基础上发展起来的一项高新技术， 构是在复合材料基础上发展起来的一项高新技术，它是 传感器、 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， 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 自身的感知， 获取外界信息， 作出判断和处理， 具有执行和完成功能，所以单一材料不可能实现， 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。 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。 科学融入材料科学的产物。
智能复合材料的构成： 智能复合材料的构成：
(1 )基体材料 基体材料
基体材料主要起承受载荷的作用 , 一般选用轻质 其中高分子材料因重量轻、 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。 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。 有色合金为主。 (2 )传感器部分 敏感材料 传感器部分(敏感材料 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 传感器部分由具有感知能力的敏感材料构成。 如温度、压力、应力、 主要作用是感知环境的变化 , 如温度 、 压力 、 应力 、 并将其转换为相应的信号。这种材料有形 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、 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、 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。 液晶材料、功能梯度材料和功能塑料合金。
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 材料的多功能复合和 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， 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： 生命特征： （1）传感功能（Sensor） ）传感功能（ ） 能够感知外界或自身所处的环境条件，如负载、应力、应变、 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、 化学、核辐射等的强度及其变化。 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） ）反馈功能（ ） 可通过传感网络，对系统输入与输出信息进行对比， 可通过传感网络，对系统输入与输出信息进行对比，并将其结 果提供给控制系统。 果提供给控制系统。 （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。 能够识别传感网络得到的各类信息并将其积累起来。
(3 )驱动器部分 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 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。 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、 场等的变化而改变其形状、尺寸、 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， 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。 适应功能。
智能复合材料的制备工艺方法 智能复合材料的合成方法有以下几种。 目前 ,在国内外 ,智能复合材料的合成方法有以下几种。 在国内外 智能复合材料的合成方法有以下几种 1 粒子复合 将具有不同功能的材料颗粒按特定的方式进行组装 , 可构制出具有多种功能特性的智能复合材料。如在特定的 可构制出具有多种功能特性的智能复合材料。 褊衬底上 ,通过电子束扫描产生电子气化花样 ,在电子静电 通过电子束扫描产生电子气化花样 在电子静电 带电的颗粒就会排列成设计的花样， 引力的作用下 ,带电的颗粒就会排列成设计的花样，如在 带电的颗粒就会排列成设计的花样 ＣａＴｉＯ3 用电子束扫描法可将ＳｉＯ ＣａＴｉＯ 的衬底上 ,用电子束扫描法可将ＳｉＯ 粉末 用电子束扫描法可将ＳｉＯ2 粒子组成各种花样。 粒子组成各种花样。这一技术可使微粒组装成多功能式的 智能复合材料。将一种机敏材料的颗粒复合在异质基体中 智能复合材料。 也获得优化的智能复合材料。 也获得优化的智能复合材料。例如压电陶瓷和压电高分子 以不同连接度复合 ,可获得性能优异的压电智能复合材料 ; 可获得性能优异的压电智能复合材料 将压电陶瓷颗粒弥散分布在压电聚合物中可制得大面积的 各种形状的压电薄膜。 各种形状的压电薄膜。
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纳米级及分子复合 将具有光敏、 压敏、 将具有光敏 、 压敏 、 热敏等各种不同功能的纳
米粒子复合在多孔道的骨架内 ,可灵活地调控纳米 可灵活地调控纳米 粒大小、 粒大小、纳米粒之间及其与骨架之间的相互作用 , 具有很好的可操作性 ,能得到兼有光控、压控、热 能得到兼有光控、 能得到兼有光控 压控、 控以及其他响应性质的智能复合材料:如在沸石分 控以及其他响应性质的智能复合材料 如在沸石分 子筛中 (具有纳米级空笼和孔道 )组装半导体纳米 具有纳米级空笼和孔道 组装半导体纳米 材料(如ＺｎＳ、 材料 如ＺｎＳ、ＰdＳ)可做光电控元件 ,组装纳米 Ｓ 可做光电控元件 组装纳米 光学材料(ＡｇＣｌ、ＡｇＢｒ 可做光控元件 可做光控元件。 光学材料 ＡｇＣｌ、ＡｇＢｒ),可做光控元件。 ＡｇＣｌ
(4)信息处理器部分 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 信息处理器部分是智能复合材料的最核心部分 。 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。 能复合材料提供了良好的条件。
目前，在各种军事领域中，智能材料的应用主 目前，在各种军事领域中， 要涉及到以下几个方面： 要涉及到以下几个方面： 智能蒙皮
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薄膜复合 薄膜生长及合成技术近年来发展很快 ,制备超晶格量子 制备超晶格量子
阱超薄层材料已成为可能。如分子束外延(ＭＢＥ ＭＢＥ)、 阱超薄层材料已成为可能。如分子束外延 ＭＢＥ 、金属有 机化合物分解、 化学气相沉积(ＭＯＣＶＤ ＭＯＣＶＤ)、 机化合物分解 、 化学气相沉积 ＭＯＣＶＤ 、 原子层外延 (ＡＬＥ 、化学束处延 (ＣＢＥ 和迁移增强层外延 (ＭＥＥ ＡＬＥ)、 ＣＢＥ)和迁移增强层外延 ＭＥＥ ＭＥＥ) ＡＬＥ ＣＢＥ 等多种技术 ,为制备纳米级的多层功能智能复合材料创造了 为制备纳米级的多层功能智能复合材料创造了 条件。 条件。将 2种或多种机敏材料以多层微米级的薄膜复合可获 种或多种机敏材料以多层微米级的薄膜复合可获 得优化的多功能特性材料 ,如将铁弹性的形状记忆合金与铁 如将铁弹性的形状记忆合金与铁 磁或电驱动材料复合 ,把热驱动方式变成电或磁的驱动方式 , 把热驱动方式变成电或磁的驱动方式 提高响应速度。 可拓宽响应频率范围 ,提高响应速度。 提高响应速度
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 皮中，或者在武器平台的蒙皮中植入传感元件、 件和微处理控制系统制成的智能蒙皮，可用于预警、 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。 身和通信。 目前美国在智能蒙皮方面的研究包括： 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 含有多种传感器的智能蒙皮； 结构化天线（即把天线与蒙皮结构融合在一起）研究； 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， 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。 性能。
智能材料的构想来源于仿生（ 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， 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 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” 材料，使它成为具有类似于生物的各种功能的“ 的材料。因此智能材料必须具备感知 驱动和控制这 感知、 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， 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， 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。 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、 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， 到了材料学的最前沿领域，使智能材料代表了材料科 学的最活跃方面和最先进的发展方向。 学的最活跃方面和最先进的发展方向。
智能复合材料的设计原理
智能复合材料的功能实现是依靠信息的传递、 智能复合材料的功能实现是依靠信息的传递 、 转换和 控制。因此信息的采集、 控制。因此信息的采集、流向对智能复合材料的功能有着 极为重要的影响。智能材料的作用机制可用下图说明。 极为重要的影响。智能材料的作用机制可用下图说明。
传感器部分（具有检测声波、 环境变化 传感器部分（具有检测声波、 信息处理器 声音、 光波、 温度、化学浓度、 （声音、光、热、 光波、力、温度、化学浓度、 部分 信 辐射、化学等） 辐射强度的敏感元件） 力、辐射、化学等） 辐射强度的敏感元件） 输入
息
输出
驱动器部分（具有机械运动、 驱动器部分（具有机械运动、 流体运动、电能、磁能、 流体运动、电能、磁能、 化学能， 化学能，改变强度的功能 元件） 元件）
生产线
控制
智能复合材料的设计方法
(1 )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、 (2 )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 ; (3 )从宏观上和微观上进行结构设计 ; (4) 建立数学和力学模型 , 对智能复合材料系统进 一步优化 ; 检验材料的功能。 (5)进行理化测试 ,检验材料的功能。 随着计算机技术的日益发展和在生产实际中的 广泛应用 ,智能复合材料的设计也可应用计算机进 行模拟设计。 行模拟设计。
（4）响应功能 ） 能够根据外界环境和内部条件变化， 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。 应的反应，并采取必要行动。 （5）自诊断能力（Self-diagnosis） ）自诊断能力（ ） 能通过分析比较系统目前的状况与过去的情况， 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。 系统故障与判断失误等问题进行自诊断并予以校正。 （6）自修复能力（Self-recovery） ）自修复能力（ ） 能通过自繁殖、自生长、原位复合等再生机制， 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。 某些局部损伤或破坏。 （7）自调节能力（Self-adjusting） ）自调节能力（ ） 对不断变化的外部环境和条件， 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， 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。 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。