智能材料在汽车行业的应用

智能材料在汽车行业的应用复材070122秦嘉震摘要：智能材料与结构在汽车行业有着重要的潜在应用。大力研究与发展智能材料与结构，可为汽车向轻型化、节能化、自动化、智能化和舒适化方向发展提供强有力的材料支撑，发展前景广阔。本文对智能材料与结构在汽车业的应用进行了阐述。关键词：智能材料与结构；汽车；应用1引言汽车运行的舒适性、稳定性与安全性是评价汽车性能的一项重要指标，是汽车产业竞争的一个极其重要的方面[1]。传统的设计与开发方法在解决这些问题时，都往往会使问题向矛盾的另一面发展。如通过采用较大阻尼的材料、利用隔声隔振技术甚至重新进行结构设计来减振降噪，以便提高舒适性，但结果往往与汽车轻量化的目标相矛盾。而智能材料与结构的出现，为解决上述这些问题提供了新的途径。2智能材料与结构应用于汽车行业一、压电材料压电材料具有压电效应，即当压电材料受到机械变形时有产生电势的能力，这种现象称为正压电效应；对它施加电压时有改变压电元件尺寸的能力，这种现象称为逆压电效应。逆压电效应反映了压电材料具有将电能转变为机械能的能力。利用正压电效应，可以将压电材料制成传感元件；利用逆压电效应，可以将压电材料制成驱动元件，将驱动器置于结构中，可以使结构变形或改变应力状态。压电材料包括压电陶瓷、压电聚合物和压电复合材料等。压电材料智能减振结构作为主动控制系统，具有密实性好，反应速度快，精确度高以及外加能源低等优点，可用于汽车车身振动主动控制上。其原理为：把分别作为传感器和驱动器的压电元件粘贴或嵌入车身结构中，传感器感受车身振动而变形，产生电信号经控制单元分析与处理，并生成相应的控制信号，控制信号经功率放大后，从而驱动驱动器使车身结构产生应变以改变结构的动态阻尼，实现对振动的主动控制。采用压电材料堆（作为驱动器）制作的具有自适应功能的车体防侧倾稳定杆，能够自动调节刚度，以减轻车体晃动，增强安全性与舒适性[2]。该稳定杆对于运行于恶劣路况下的越野车来说是很有意义的。二、形状记忆合金形状记忆合金(SMA)是智能材料结构中首先应用的问世不久的一种功能型金属材料。其特点是具有形状记忆效应，即材料能够记住它在高温状态下的形状，当处于低温下的形状记忆合金在外力作用下产生变形后，如果将其加热超过材料的相变点，它就会恢复到原来高温状态下的形状。形状记忆合金作为驱动器元件最重要特点是:可实现多种变形形式，变形量大，加热驱动时，驱动力较大。在形状记忆合金中，研究较多的是镍钛、铜基和铁基3类合金。它们可作为温度敏感元件应用于汽车的自动控制领域。例如：国外已将这些合金应用于汽车雾灯和汽车空调开关等方面。另外应用于汽车行业中的形状记忆合金（主要是NiTi和CuZnAlMnTi合金）能够在以下几个方面发挥作用[3]：1温度自反馈供油器当外界气温降低导致油的粘度增加时，记忆合金弹簧和一个偏置弹簧组成的装置打开发动机附加油路，增加供油。其原理是记忆合金弹簧在低温下有较低的弹性模量，而另一弹簧弹性模量不变，因此偏置弹簧推动记忆合金弹簧打开附加油路；当温度较高时，记忆合金弹簧弹性模量增大，从而推动偏置弹簧关闭附加油路，以保证供油不会随温度变化而变化。2齿轮箱记忆合金减振垫片当温度增加时，齿轮箱中的齿轮由于材料的膨胀系数不同导致振动增大。记忆合金垫片的弹性恢复力随温度升高而增大，从而紧固力增加，达到降低噪声的目的。3发动机风扇和车内空调自控装置当发动机或车内温度增加时，发动机风扇或空调会自动打开降温；温度降低时发动机风扇或空调自动停止或关闭。其原理与自动供油器相似。4记忆合金储能弹簧汽车刹车会浪费能量，利用合金８%的伪弹性变形量将刹车动能转变为储能弹簧的弹性能。该弹性能在行驶时释放驱动车轮而节能。总之，应用于汽车行业中的形状记忆合金能够改善汽车的节能性、安全性、舒适性、工作稳定性以及自动化程度。3结语目前，智能材料与结构的研究虽然还处于发展的起步阶段，离实用化还有一定距离，但其应用前景所涉及的领域却非常广泛。尽管其应用当前主要集中于航空航天领域，但就汽车的结构形式来说，智能材料与结构在汽车行业有着重要的潜在应用。智能材料与结构应用于汽车行业，也给智能材料与结构的发展带来了新的动力，如为满足汽车工程方面的需要，各种智能材料的性能如何进一步提高，智能结构的实现形式尚需进一步探索，应用于汽车上的智能材料与结构系统的建模与仿真，传感/驱动器结构、数量及位置优化，控制算法与控制器设计等等方面都有待进一步研究。因此，只有通过大力研究与发展智能材料与结构，才能为汽车向轻型化、节能化、自动化、智能化和舒适化方向发展提供强有力的材料支撑，发展前景广阔诱人。参考文献：[1]余志生.[M].汽车理论,北京:机械工业出版社,2000.[2]黄尚廉,陶宝祺,沈亚鹏.智能结构系统—梦想、现实与未来.[J].中国机械工程,2000,11(1-2):32-35.[3]蒋青,李建忱,赵明.汽车工业中的先进材料.[J].汽车工艺与材料,1999(1):25-27.