智能复合材料研究发展概况

智能复合材料研究发展概况摘要：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:Intelligentcompositematerialswhichishigh-techmaterialsisdevelopedbasedonbionics.Self-testing,self-diagnosis,self-regulationandotherspecialfunctionareachievedaccordingtothedemandsofdesigners.Inthisarticletheprinciplesandcompositionofsmartcompositematerialsaredescribed,theresearchandproblemsofseveralintelligentcompositematerialsareanalysised.Keywords:Intelligentcompositematerialsshapememoryalloypiezoelectricmateriallightconductfiberself-testingself-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。加拿大波音公司的德·哈维兰分部研制的第一个全尺寸的机翼前缘Dash-8,长2.1m,该前缘为复合材料夹层结构,在其外蒙皮(13层Kevlar)中埋人了3层共250根光纤传感器,解决了结构中光纤界面的设计与制造问题,确定了结构中传感器集成的步骤,建立了光纤探测损伤系统的拓扑结构,并研制出了相应的扭伤估算软件及测试估算系统。3智能复合材料的体系种类5.1形状记忆合金(SMA)智能复合材料形状记忆合金是集“感知”和“驱动”于一体的智能复合材料。最典型的形状记忆合金是NiTi合金,这类材料还有InTl、CuZn、CuAl、NiAl、AgZn和AgCd等。这类材料几何形状会随温度的变化发生突变,在低温时其组织为马氏体状态,可进行间隔性塑性变形,当加热到特征温度以上时发生马氏体到奥氏体的转变,从而恢复到原来的形状,即显示形状记忆效应。因形状记忆合金既可作传感器,又可作驱动器,将其与信息处理材料复合便可制得智能复合材料。如古屋泰文将1%的TiNi合金纤维铺设于环氧树脂基体中制成智能复合材料(SMC),在外力作用下,SMC发生裂纹,借助形状记忆合金的电阻应力波的变化可自诊断材料的损伤,同时由于SMC直接通电加热产生形状记忆收缩力,应力集中减小,使裂纹收缩,从而使SMC自动愈合,刚性也增大,材料不仅有自诊断性且具有损伤的自愈合能力。5.2光导纤维智能复合材料智能复合材料中的传感器是嵌埋在复合材料中的，这要求与基体之间具有良好的兼容性。传统传感器大多不易与材料复合。光纤具有良好的耦合性，由其制成的传感器，可以测量温度、应力、应变等多种物理量且具有极高的灵敏度，并综合了感知和传输双重功能，因此作为传感材料是最有效的。目前，制成的各种光纤埋入式复合材料传感器其作用有：(1)实时监测、报告材料状态和结构在线综合评估。例如对复合材料制造过程进行监测，随时报告加工中出现的缺陷，如裂纹、孔洞、缝隙等情况［9］。也可监测结构使用时所处的状态，如疲劳和温度等情况［6］，如1994年，在德国一座由预应力碳纤维复合材料和钢筋结构组成的桥中加入了光纤布拉格光栅应变传感器，检测碳纤维预应力的损失情况，并用于长期追踪应力的变化［9］。此外,加拿大多伦多大学与波音公司合作研制了具有光纤“自诊断”系统的机翼前缘的损伤自评系统［11］，通过测量光纤输光时的各种性能变化进行在线损伤评估。(2)制作隐形复合材料。其原理［9］是将由发光光纤和接受光纤两部分组成的光纤埋入复合材料时，光纤端面位于材料表面，发光光纤发射出不在红外探测器探测范围之内的光波，在远离材料的表面形成一道光波墙，达到隐形目的。而接受光纤则接受制导激光信号，以便采取相关干扰措施。(3)制作自修复智能结构。其原理［3］是将带胶液空心光纤埋入复合材料中，当结构发生损伤时，由空心光纤网络的输出信号检测出损伤发生的位置，同时空心光纤作为输送修复胶液的通道将光纤所含胶液流到损伤处，修复复合材料。为提高修复质量，可在复合材料中适当布置SMA，利用其受激励时产生压应力和热量，使胶液能够轻易流出，并提高固化的质量。5.3压电智能复合材料对材料施加力可产生电压称为压电效应；相反,施加电压则产生应变或应力称为反压电效应；具有此类性能的材料被称为压电材料,利用压电材料的电能和机械能的变换可做传感器和执行元件。目前用的压电材料一类为压电陶瓷,有锆钛酸铅(PZT)、钛酸钡(BT)、铌酸锂(LN)等；另一类为压电聚合物,有聚偏二氟已乙烯(PVDF)等。如把压电陶瓷传感器与压电陶瓷驱动器结合起来并将其在集成电路上进行涂层便构成压电陶瓷智能复合材料。在纤维增强塑料表面上粘上一层PVDF压电薄膜,可把形变转换为电压,以控制振动；也可以把PZT和双酚A型环氧树脂配成涂料涂于复合材料表面,用于人造卫星、航天飞机等大型构件的振动传感器。在低阻的SI上制备PZT,可做光电开关、红外线探测器等。5.4pH响应凝胶纤维智能复合材料pH响应性凝胶纤维是随pH值的变化而产生体积或形态改变的凝胶纤维，即其在水中由于pH值的不同产生可逆的收缩和溶胀，使得化学能和机械能发生相互转换。因为凝胶纤维是软的，因此可不必破坏它而加工成精巧的机械部件，如制作机械手以操作非常容易损坏的东西。有些凝胶纤维的溶胀长度变化约为80%，收缩响应时间不到2s，因此也可作为人工肌肉。通过慎重选择组分和加工技术，还可合成满足多种功能的智能复合材料，例如，由凝胶纤维和分散在凝胶基质中的导电纤维（例如碳纤维）组成的复合材料，当纤维的临界体积分数较大时，体系是导电的，当对外界刺激响应使基质溶胀时，纤维的有效体积分数减小，纤维不再保持足够的接触，导致导电性突然降低。5.5磁电致伸缩智能复合材料磁电致伸缩材料早期是Ni、Ni-Co、Fe-Co和镍铁氧体。近年来开发出大磁致伸缩材料,在室温和较低的磁场强度下产生应变高达10-3倍,还有高的机电耦合系数和广阔的工作温度,典型的材料为铽镝铁合金,20年前在美国海军军械实验室发现,被称为Terfenol-D(TbDyFe2)[10]。我国已成功地用磁控溅射法在Si的衬底上沉积了不同厚度的TiNi形状记忆