智能复合材料研究发展概况

智能复合材料的研究现状与发展趋势

摘要：智能复合材料是基于仿生学发展起来的高新技术材料，根据设计者的要求实现自检测、自诊断、自调节等各种特殊功能。本文介绍了智能复合材料的原理、组成，分析了几种智能复合材料的开发研究及其存在的问题。

关键词：智能复合材料形状记忆合金压电材料光导纤维自检测自修复Abstract: Intelligent composite materials which is high-tech materials is developed based on bionics. Self-testing, self-diagnosis, self-regulation and other special function are achieved according to the demands of designers. In this article the principles and composition of smart composite materials are described, the research and problems of several intelligent composite materials are analysised. Keywords: Intelligent composite materials shape memory alloy piezoelectric material light conduct fiber self-testing self-repair.

引言

智能复合材料是一类基于仿生学概念发展起来的高新技术材料，它实际上是集成了传感器、信息处理器和功能驱动器的新型复合材料。其通过传感器感知内外环境状态的变化，将变化所产生的信号通过信息处理器做出判断处理，并发出指令，而后通过功能驱动器调整材料的各种状态，以适应内外环境的变化，从而实现自检测、自诊断、自调节、自恢复、自我保护等多种特殊功能，类似于生物系统。智能复合材料是微电子技术、计算机技术与材料科学交叉的产物。智能复合材料能够很好的避免复合材料在拉压、冲击或疲劳等载荷作用下, 极易发生损伤直至最终破坏的弱点，对复合材料的初期损伤,能够及时发现并采取相应措施, 将经济损失降到最低, 甚至可以避免灾难性的后果出现。因此智能复合材料在许多领域展现了广阔的应用前景，如机械装置噪音与振动的自我控制等［1］，飞机的智能蒙皮［2］与自适应机翼，桥梁与高速公路等大型结构的自增强、自诊断、自修复功能［3 - 4］，以及各种智能纺织品［5 - 6］。

1智能复合材料的构成及设计

(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。这种材料目前有形状记忆合金、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等。

(3) 驱动器部分构成驱动器部分的驱动材料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。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。

(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。

智能复合材料在功能结构上虽然可以分为以上4 大部分,但是它并不是这4 部分的简单叠加,而是它们的有机结合。制取智能复合材料时在工艺上需要解决很多关键的技术问题,不仅要在宏观上进行尺寸和结构的设计与控制,而且更要在微观(至纳米级、分子乃至原子的尺寸) 上进行结构设计与复合[3 ] 。

智能复合材料设计方法

(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；

(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；

(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。

2智能复合材料研究发展状况

发展的总体特点与以往其它一些新材料技术相比, 智能复合材料的发展有其与众不同的特征, 主要表现在以下几个方面：

（1）发展异常迅速

智能材料与结构的概念的提出至今也不过20多年的时间,而美国等一些国家即已研制出大型智能复合材料构件,并正在进行模拟测试和验证，如美国防御、空间与通讯技术部已制造出用形状记忆合金作驭动器的树脂基复合材料夹芯结构的

“柔性”机翼,该机冀为水陆两用型,通过其截面发生的曲面变化来进行飞机高度控制或自适应升力的变化,在水和空气中,该机其结构的变形响应与冀尖的位移、动力要求与动态响应有关。波音防御与宇航技术中心同美国空军联合研制出了利用光学传感阵埋人复合材料的飞机构架,它是一种智能型飞机结构安全监测系统（即SHMS）计划,该系统可监测和控制飞机的疲劳裂纹、腐蚀状况、分层等信息以确保飞机安全、降低飞机保养与维修费用及避免人为观测误差。另外还有三维纤维增强压力聚合物基复合材料无轴承智能直升机旋翼及法国的“智能蜻蜒”型飞机等等,均体现了国外智能复合材料与结构的发展水平。

（2）从事该项研究的新成立团体日趋增加,但多以宇航及国防应用为目标

由于智能复合材料与结构是一种跨学科、跨行业的新技术领域, 因此不仅需要材料专家,还需要化学、物理学、系统控制等诸多方面的人才,因而从事该方面研究的跨学科综合学术团体迅速涌现,如许多大学等研究部门均成立了“智能材料与结构研究中心”,工业部门也竞相投资而国防部门及宇航系统对该领域的研究更是给予了高度重视,并且资助这方面研究的单位,绝大多数属于空军、海军、国防部和宇航系统。美国国防部、国家宇航局、空军及各大飞机制造公司的研究部门以及日、英等国家均纷纷制定和提出了各自的发展计划。

（3）发达国家交流异常频繁、竞争也异常激烈

目前有关智能材料与结构技术的研究工作正在世界范围内迅速展开,尤其在美, 日及欧洲发达国家更是给予了高度重视,仅1989年至1992年, 就已举行了4次国际学术会议,日、美双边技术研讨会更加频繁。并且1990年美国创刊发行了第一本发展智能材料与结构技术的专业性期刊,到目前,涉及该领域的学术期刊已有很多种。

（4）基础研究与应用研究并行

美国权威部门认为,智能材料与结构虽然发展迅速,但仍然是一个尚未成熟的领域,许多概念仍未认识或统一,因此基础研究还应大力加强，但构件的研究、制造已经纷纷上马,这是由于应用目标明确, 尤其是军事需求迫切所至,而且该领城正在朝着智能的集成化、传感、动作与控制系统的小型化方向发展。如麦道公司正在研究智能蒙皮因损伤和疲劳引起的质量降低的方式,并将对带有智能蒙皮（F-15外侧前缘和F-18的外翼蒙皮）的飞机进行试飞,以验证其监视飞行载荷的能力。