楊正巖 ，張佳奇 ，高東岳 ，2，劉科海 ，武湛君

（1.大連理工大學(xué)工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，大連 116024；2.斯坦福大學(xué)航空航天學(xué)院，斯坦福 94305）

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)制造完成，不能做到實(shí)時(shí)感知環(huán)境以及自身狀態(tài)的變化，更不能做到自適應(yīng)和自修復(fù)。智能化與智能材料和結(jié)構(gòu)技術(shù)存在著內(nèi)在關(guān)系[1]。20世紀(jì)70年代末“結(jié)構(gòu)智能化”的概念首次被美國軍方提出，目的是為了提高飛行器的使用性能和安全性能[2]。結(jié)構(gòu)智能化概念包括智能材料和智能結(jié)構(gòu)兩部分。智能材料是指自身一種或多種性質(zhì)（如阻尼、剛度、形狀、電阻等）會在激勵（如力、熱、光、電、磁等）作用下，發(fā)生顯著變化的材料[3]。智能結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是將結(jié)構(gòu)和傳感器、驅(qū)動器、控制元件的復(fù)合與組裝，構(gòu)成智能結(jié)構(gòu)體系[4]，使結(jié)構(gòu)本身具有自感知、自診斷、自驅(qū)動、自修復(fù)等能力。這個(gè)特點(diǎn)使智能結(jié)構(gòu)區(qū)別于傳統(tǒng)的主動控制結(jié)構(gòu)，使之具備多種智能性能。相比之下，智能結(jié)構(gòu)由于利用了智能材料的固有驅(qū)動、傳感特性，直接將智能材料集成到結(jié)構(gòu)之中，使得其智能和自適應(yīng)特點(diǎn)更明顯，能夠更好地實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的功能。國內(nèi)外對飛行器結(jié)構(gòu)智能化開展許多研究，如針對飛行器變形的研究的“智能翼”計(jì)劃[5-7]、SAMPSON 計(jì)劃[8]、NASA Aircraft Morphing計(jì)劃[9]等以及相應(yīng)學(xué)者對結(jié)構(gòu)和材料方面的研究和總結(jié)[10-11]；針對飛行器減振降噪技術(shù)的研究[12-13]；針對自診斷智能結(jié)構(gòu)的研究[14]；針對飛行器加工和裝配過程的智能化研究[15-17]等各種領(lǐng)域的研究。

本文基于上述背景，從智能材料、基本性質(zhì)、使用實(shí)例和應(yīng)用價(jià)值等方面對智能材料目前的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行綜述性介紹，并總結(jié)了現(xiàn)今航空航天智能材料、結(jié)構(gòu)研究及應(yīng)用中出現(xiàn)的關(guān)鍵問題，展望了航空航天智能材料和結(jié)構(gòu)未來發(fā)展的趨勢。下面分別對這幾種主要的智能材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹。

智能材料及研究進(jìn)展概述

20世紀(jì)80年代中期，人們提出了智能材料的概念[18]。智能材料根據(jù)其在工作時(shí)發(fā)揮作用的不同，可以分為兩大類：一類是可以感知外界刺激的智能材料，統(tǒng)稱為感知材料，可以用來制成傳感器以感知外界環(huán)境以及自身工作狀態(tài)的變化。例如壓電材料、形狀記憶材料、鐵磁材料、光導(dǎo)纖維、光/濕/熱/氣敏材料等。另一類則是能夠在外界環(huán)境或內(nèi)部狀態(tài)發(fā)生變化后做出恰當(dāng)響應(yīng)的材料，該類材料常用來做執(zhí)行器。例如形狀記憶材料、壓電材料、鐵磁材料既可以做感知材料，也可以做執(zhí)行材料，而某些高分子復(fù)合材料，例如自愈合材料是很好地執(zhí)行材料。

1 壓電材料

1.1 基本性質(zhì)

壓電材料是能實(shí)現(xiàn)機(jī)械能-電能轉(zhuǎn)換的一類智能材料。在眾多智能材料中，壓電材料由于具有大帶寬信號，高能量轉(zhuǎn)換率，快機(jī)電響應(yīng)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于傳感、驅(qū)動、換能以及振動控制等領(lǐng)域。另外，壓電材料還可承受一定程度的高溫環(huán)境[19]。如圖1所示，正/逆壓電效應(yīng)反應(yīng)的是一種機(jī)電耦合效應(yīng)，即基于這兩種效應(yīng)機(jī)械能和電能可以相互轉(zhuǎn)換。利用壓電材料的正壓電效應(yīng)，即外力作用下產(chǎn)生電荷的效應(yīng)，是常用來作傳感器的智能材料。利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，即在外電場作用下，材料產(chǎn)生變形的一種效應(yīng)，可以用作驅(qū)動器的材料。由于其有大帶寬信號、高能量轉(zhuǎn)換率、快機(jī)電響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于傳感、驅(qū)動、換能以及振動控制等領(lǐng)域。

1.2 分類

壓電材料可分為壓電晶體、壓電聚合物和壓電陶瓷3種。其優(yōu)缺點(diǎn)和具體應(yīng)用如表1所示[20-26]。

常用的壓電陶瓷如，鋯鈦酸鉛、鈦酸鋇、偏鈮酸鉛、鈮酸鉛鋇鋰等，具有優(yōu)越的壓電性能和溫度穩(wěn)定性以及居里溫度。航空航天領(lǐng)域急需要在極端環(huán)境，如高溫環(huán)境下（500℃及以上）正常工作的電子設(shè)備[27]，高居里溫度是研究熱點(diǎn)。

鈦酸鉛基壓電陶瓷壓電性能與鋯鈦酸鉛基壓電陶瓷相當(dāng)，居里溫度卻比其高近100℃，在高溫壓電的應(yīng)用研究領(lǐng)域最有潛力。2001年，Eitel等[28]提出鉍系高溫壓電陶瓷體系，壓電性能與傳統(tǒng)PZT相當(dāng)，具有450℃的居里溫度。2005年Zhang等[29]對BSPT進(jìn)行Mn摻雜，提高了其溫度穩(wěn)定性。2008年Yao等[30]向BSPT 體系引入 Pb（Sc1/2Nb1/2）O3，居里溫度保持在405℃，且具有較高的壓電常數(shù)。Jiang等[31]在2011年提 出（1-x）（BiScO3-0.64PbTiO3）-xLiNbO3體系，壓電常數(shù)達(dá)505pC/N，相轉(zhuǎn)變溫度在380℃附近。

常用壓電陶瓷材料性能對比如表2所示[32]，更多壓電陶瓷材料性能見文獻(xiàn)[33]，LiNbO3的居里溫度達(dá)1150℃，適應(yīng)高溫要求，適合耐高溫環(huán)境傳感器的應(yīng)用。

2002年，德國空間中心（EADS）將壓電陶瓷片粘貼在飛機(jī)變速箱桿上組成智能變速箱桿，通過壓電驅(qū)動器激勵各方向的振動來控制從變速桿傳遞到機(jī)身處的結(jié)構(gòu)噪聲，智能變速箱桿如圖2所示[34]。

圖1 壓電效應(yīng)Fig.1 Piezoelectric effect

表1 壓電材料比較

表2 常用壓電陶瓷材料性能比較

EADS用智能變速箱桿代替原有的變速箱桿在BK117直升機(jī)上做了飛行測試，測試結(jié)果表明這種基于壓電陶瓷的主動減振系統(tǒng)在任何環(huán)境下工作都很穩(wěn)定，并且在試驗(yàn)頻率下變速箱支撐桿的振動得到了良好的控制。智能變速箱桿在BK117上的實(shí)際安裝如圖3所示[34]。

壓電陶瓷是一種應(yīng)用廣泛的智能材料，但也有自身的不足之處，如材料機(jī)械強(qiáng)度低，傳統(tǒng)含鉛壓電陶瓷的環(huán)境污染性以及使用過程中僅利用其單一性能等。未來壓電陶瓷將朝納米尺度、無鉛、多功能新型鐵電性等方向發(fā)展。

對于壓電材料的研究還存在很多的問題，傳統(tǒng)壓電陶瓷材料機(jī)械強(qiáng)度低，含鉛壓電陶瓷的環(huán)境污染性以及使用過程中僅利用其單一性能，壓電聚合物壓電性能較差等。未來壓電材料將朝耐極端環(huán)境、納米尺度、無鉛、多功能新型壓電性等方向發(fā)展。

圖2 智能變速箱桿Fig.2 Smart gearbox strut

2 鐵磁材料

2.1 基本性質(zhì)

鐵磁材料是能實(shí)現(xiàn)機(jī)械能-磁能轉(zhuǎn)換的一類智能材料。鐵磁材料在磁場作用下發(fā)生變形，這種現(xiàn)象稱為磁致伸縮效應(yīng)。利用磁致伸縮正效應(yīng)，即磁場作用下材料發(fā)生變形，可用作驅(qū)動器；利用磁致伸縮逆效應(yīng)，即材料發(fā)生變形后產(chǎn)生磁場，可用作傳感器。利用磁致伸縮正逆耦合效應(yīng)，可以開發(fā)集驅(qū)動、力測量、輸出力感知和輸出力可控等功能于一體的精密驅(qū)動器件[35-36]。

2.2 分類

鐵磁材料根據(jù)功能分為軟磁材料、硬磁材料、矩磁材料、旋磁材料、壓磁材料5大類，其具體特性和應(yīng)用見表3[37-38]。

目前鐵磁材料研究熱點(diǎn)集中在超磁致伸縮材料。超磁致伸縮材料為基礎(chǔ)的傳感器，具有分辨率高、體積小、伸縮系數(shù)大、機(jī)電耦合系數(shù)大、承受壓力大等優(yōu)點(diǎn)。超磁致伸縮材料因?yàn)槠鋬?yōu)越的性能在航空航天領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，采用超磁致伸縮材料實(shí)時(shí)感知外界環(huán)境的變化的自適應(yīng)機(jī)翼，利用磁致伸縮效應(yīng)通過機(jī)翼變形來改變翼型和攻角，獲得飛行器最佳的氣動特性[39]；超磁致伸縮材料在飛機(jī)和空間站振動主動控制中起著重要作用[40]；超磁致伸縮材料還可用于飛行器的減振降噪，Lord公司研發(fā)的基于超磁致伸縮材料的智能降噪系統(tǒng)，減小機(jī)艙內(nèi)的噪聲達(dá)20dB，起到很好的降噪效果[41]。

3 形狀記憶材料

3.1 基本性質(zhì)

形狀記憶效應(yīng)是指具有一定初始形狀的材料經(jīng)形變并固定成另一種形狀后，通過熱、光、電等物理刺激或化學(xué)刺激的處理又可恢復(fù)成初始形狀的一種特性，具有這種特性的材料稱為形狀記憶材料（Shape Memory Materials，SMM）。形狀記憶材料可集傳感、驅(qū)動及執(zhí)行機(jī)構(gòu)為一體，成為“智能”材料系統(tǒng)中重要材料。

20世紀(jì)80年代以來，形狀記憶材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用已得到廣泛的研究[42]。其中依賴形狀記憶材料的新型智能變形飛行器的發(fā)展將是飛行器智能化的一大重要突破[43]。

圖3 智能變速箱桿在BK117上的實(shí)際安裝Fig.3 Smart gearbox struts installed in BK117 test helicopter

表3 鐵磁材料分類比較

3.2 分類

（1） 形狀記憶合金。

形狀記憶合金具有抗疲勞性能和延展性能優(yōu)異，并且在高溫環(huán)境下，形狀記憶合金相對普通合金性能更加優(yōu)異[44]。這些優(yōu)于普通材料的特殊性能使得形狀記憶合金在航空航天領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景，如圖4所示波音777-300ER飛機(jī)發(fā)動機(jī)利用形狀記憶合金降低噪聲影響[45]。

形狀記憶合金在國內(nèi)外已經(jīng)開展了很多研究。AdaptaMat公司利用形狀記憶合金制備驅(qū)動器[46]，實(shí)現(xiàn)了較好的驅(qū)動性能。國內(nèi)沈陽工業(yè)大學(xué)團(tuán)隊(duì)利用形狀記憶合金利用仿生學(xué)原理成功制備了蠕動型直線電機(jī)樣機(jī)[47]，可以利用磁場控制微位移。

（2） 形狀記憶高分子。

形狀記憶高分子有可恢復(fù)率高、質(zhì)輕、加工成本低、耐腐蝕等優(yōu)于形狀記憶合金的特點(diǎn)，受到了廣泛關(guān)注[48]。由于形狀記憶聚合物變形能力強(qiáng)、恢復(fù)率高等特點(diǎn)，常用于變型機(jī)翼蒙皮材料[49]。形狀記憶材料是當(dāng)今智能材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，但是仍存在一些不足之處。對于形狀記憶合金抗疲勞性能研究較少，應(yīng)建立可靠的評價(jià)體系；形狀記憶高分子雖然有很多優(yōu)點(diǎn)，但在應(yīng)用上還有一定的局限性，主要表現(xiàn)在驅(qū)動方式和剛度性能差兩個(gè)方面，尋找更有效、更易實(shí)現(xiàn)、更具普遍性和適用性的驅(qū)動方式成為最近幾年的研究重點(diǎn)方向和熱點(diǎn)。

4 智能復(fù)合材料

每種智能材料都有其自身的局限性，智能復(fù)合材料可以克服智能材料自身局限性，使得智能材料性能更加優(yōu)良，具有很大的發(fā)展和使用前景，是未來智能材料的發(fā)展趨勢。

4.1 壓電復(fù)合材料

壓電復(fù)合材料是21世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一種多用途功能復(fù)合材料。壓電復(fù)合材料相較于傳統(tǒng)壓電陶瓷，雖然其聲阻抗、密度、壓電常數(shù)降低，但是其機(jī)電耦合系數(shù)卻大幅度提高，且極大改善壓電陶瓷易脆的缺點(diǎn)。壓電纖維復(fù)合材料是目前壓電復(fù)合材料的研究重點(diǎn)，主要有3種，1-3型壓電纖維復(fù)合材料、AFC(Active Fiber Composite)和MFC（Macro Fiber Composite）。

如圖5所示[50]，AFC由Bent提出[51]，由擠壓工藝單獨(dú)加工，易導(dǎo)致壓電纖維損壞和排列不整齊等問題。為此美國國家航空航天局的 Langley研究中心研究了一種宏纖維復(fù)合材料（MFC），是片狀層合結(jié)構(gòu)，其性能比傳統(tǒng)壓電陶瓷提高兩倍[52]。F/A-18是雙垂翼飛機(jī)，結(jié)構(gòu)容易因?yàn)檎駝赢a(chǎn)生疲勞現(xiàn)象，采用多層MFC驅(qū)動器應(yīng)用于垂尾的兩個(gè)表面上來抵消載荷產(chǎn)生的振動，可以有效抑制結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)和動態(tài)力學(xué)應(yīng)變，取得較好減振效果，如圖6所示[53]。

常用的壓電材料自身常存在一些缺點(diǎn)，如壓電陶瓷脆性大、密度高，壓電薄膜使用溫度低、壓電性能不佳等。所以在以后的研究中，壓電復(fù)合材料是壓電領(lǐng)域的研究重點(diǎn)，可以克服單體材料自身的一些缺點(diǎn)，今后對壓電復(fù)合材料的加工性能改善、性能增強(qiáng)以及設(shè)計(jì)等問題還需要進(jìn)一步研究。

4.2 鐵電/鐵磁復(fù)合材料

鐵電/鐵磁復(fù)合材料是一種集合了鐵電相和鐵磁相的特點(diǎn)，還具有磁電轉(zhuǎn)換功能的新材料，具有特殊的磁電效應(yīng)。常見的鐵電/鐵磁復(fù)合材料有Terfenol-D/PZT、Terfenol-D/PVDF等。鐵電/鐵磁復(fù)合材料由于其獨(dú)特性能，在微波領(lǐng)域、磁場感應(yīng)器、磁電傳感器、航空航天等領(lǐng)域有著廣泛的用途[54-56]。

4.3 形狀記憶復(fù)合材料

近40年時(shí)間里，國內(nèi)外學(xué)者和機(jī)構(gòu)對形狀記憶復(fù)合材料開展了大量深入研究[57-59]。從20世紀(jì)90年代后期開始，國外研究學(xué)者開展了對形狀記憶復(fù)合材料的大量應(yīng)用研究，并取得了一些進(jìn)展，如：柔性可展太陽翼、天線柔性反射面、可變形機(jī)翼等[60-62]。國內(nèi)哈爾濱工業(yè)大學(xué)團(tuán)隊(duì)以Veriflex為基體材料、T300碳纖維織物為增強(qiáng)基材料，成功研制出形狀記憶鉸鏈（SMPC），克服了形狀記憶聚合物低強(qiáng)度的缺點(diǎn)，材料能夠?qū)崿F(xiàn)高應(yīng)變，避免纖維疲勞，試驗(yàn)證明SMPC是很好的可展開結(jié)構(gòu)，如圖7、8所示[63]。

圖4 波音777-300ER飛機(jī)發(fā)動機(jī)利用形狀記憶合金降噪Fig.4 Noise-control with shape memory materials at Boeing 777-300ER airplane engines

圖5 常見的壓電復(fù)合材Fig.5 Common piezoelectric materials

4.4 自愈合復(fù)合材料

在航空航天領(lǐng)域中，材料的耐損傷性是一個(gè)十分重要的問題。運(yùn)載智能結(jié)構(gòu)本身具有自動緩解機(jī)制，緩解機(jī)制是指在循環(huán)載荷作用下結(jié)構(gòu)恢復(fù)承載能力或者減少損傷累計(jì)比率的一種機(jī)制。具有對初期損傷的自愈能力的材料就能自行處理未檢測到的微小損傷，而這些微小損傷可能對結(jié)構(gòu)完整性發(fā)生很大破壞，這就是一種高效固有的緩解機(jī)制。自愈合復(fù)合材料主要有三維脈管網(wǎng)絡(luò)、微膠囊、熱可逆交聯(lián)反應(yīng)和碳基自愈合復(fù)合材料。

（1） 三維脈管網(wǎng)絡(luò)自愈合復(fù)合材料。

圖6 F/A-18飛機(jī)垂尾抖振壓電主動控制Fig.6 Smart structure based buffet load alleviation system on a full-scale F/A-18 vertical tail

圖7 SMPC鉸鏈形狀恢復(fù)過程Fig.7 Shape recovery process of the SMPC hinge

三維脈管復(fù)合材料網(wǎng)絡(luò)材料自愈原理是在受到擠壓或損壞時(shí)釋放修復(fù)劑，可有效修復(fù)受損處的微小裂縫。飛行器在飛行過程中遭受的輕微損傷的三維脈管網(wǎng)絡(luò)復(fù)合材料將會在修復(fù)劑釋放過程中得到修復(fù)，如同人體外源性凝血機(jī)制使小傷口停止流血一樣。

美國伊利諾伊大學(xué)厄巴納-尚佩恩分校的研究團(tuán)隊(duì)于2014年創(chuàng)造了一種纖維基增強(qiáng)復(fù)合材料的自愈材料，采用三維脈管網(wǎng)絡(luò)，極大地解決了纖維基增強(qiáng)復(fù)合材料在使用過程中的分層問題，有望解決玻璃纖維復(fù)合材料出現(xiàn)細(xì)微裂紋構(gòu)成安全隱患的問題，自愈系統(tǒng)如圖9所示[64]。

（2） 微膠囊自愈合復(fù)合材料。

微膠囊型自修復(fù)復(fù)合材料于2001年首次發(fā)表在Nature雜志[65]（圖10），微膠囊自愈合技術(shù)是將包覆有愈合劑的微膠囊與催化劑一起植入到基體材料中，微膠囊在基體材料產(chǎn)生微裂紋時(shí)破裂，膠囊內(nèi)的愈合劑會通過毛細(xì)管虹吸作用到達(dá)裂紋面，與分散在基體中的催化劑引發(fā)聚合達(dá)到修復(fù)裂紋的目的[65]。由于航空航天等國防領(lǐng)域?qū)λ貌牧系挠休^高的性能要求，用于此領(lǐng)域的自修復(fù)微膠囊應(yīng)具備密封性能良好、包封率高及好的熱穩(wěn)定性等特點(diǎn)[66]。

（3）中空纖維自愈合復(fù)合材料。

中空纖維自修復(fù)方法是歐洲太空總署提出的概念，其修復(fù)機(jī)理是將中空纖維埋植在基體材料中，中空纖維內(nèi)裝有類似粘合劑的未固化樹脂和固化劑流體，材料受到低沖擊載荷發(fā)生破壞時(shí)，通過釋放空心纖維內(nèi)的修復(fù)劑流體粘接裂紋處實(shí)現(xiàn)損傷區(qū)域自修復(fù)[67]。

中空纖維內(nèi)裝有雙組分修復(fù)劑的修復(fù)機(jī)理如圖11所示[68]，該組分可在固化劑作用下實(shí)現(xiàn)自修復(fù)。中空纖維法的優(yōu)勢在于修復(fù)劑含量足夠修復(fù)損傷，可以填充不同固化機(jī)制的樹脂，可以實(shí)現(xiàn)損傷可視化，中空纖維易于和傳統(tǒng)增韌纖維混合和調(diào)整；存在的不足是纖維必須斷裂釋放修復(fù)液，必須采用低黏度樹脂利于浸潤，中空纖維引入碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料會造成熱膨脹系數(shù)的不匹配，制造過程需要多級程序，較復(fù)雜。

圖8 SMPC鉸鏈驅(qū)動太陽能電池陣展開過程Fig.8 Shape recovery process of a prototype of a solar array actuated by an SMPC hinge

圖9 纖維基增強(qiáng)復(fù)合材料的自愈過程Fig.9 Life-cycle of a self-healing microvascular fiber-composite

利用自修復(fù)技術(shù)修復(fù)復(fù)合材料沖擊損傷的方法有了一定應(yīng)用。Dry[67]在環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料中嵌入裝滿粘合劑的空心纖維，施加一定的外界載荷使復(fù)合材料纖維破裂，黏合劑流出阻止裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展。Trask等[69]分別將樹脂和固化劑填充于復(fù)合材料中空心纖維中，通過模擬沖擊破壞試驗(yàn)，材料的破損區(qū)域可以進(jìn)行自愈合修復(fù)。

自愈合復(fù)合材料可以在對損傷做出感應(yīng)后自行處理材料損傷，具有成本低廉、更安全可靠、減少維護(hù)費(fèi)用等優(yōu)點(diǎn)。雖然自愈合復(fù)合材料已經(jīng)取得很大的進(jìn)展，但是如何使自愈合復(fù)合材料更加可靠仍需要進(jìn)一步研究與探索，對于自愈合復(fù)合材料的應(yīng)用也有待于進(jìn)一步開發(fā)。同時(shí)研發(fā)高溫下使用的自修復(fù)材料也是研究的一大熱點(diǎn)。

圖10 微膠囊自愈合機(jī)理Fig.10 Autonomic healing concept

圖11 中空纖維自修復(fù)的修復(fù)機(jī)理Fig.11 Schematic representation of self-healing concept using hollow fibers

5 智能材料研究存在問題及展望

智能材料作為目前航空航天材料研究的一個(gè)熱點(diǎn)分支，是一個(gè)集合物理、化學(xué)、材料、機(jī)械、力學(xué)等眾多領(lǐng)域的研究，具有廣闊的發(fā)展前景。但是對其研究還存在著諸多問題，例如材料復(fù)合化的相容性問題、小型化的制作加工問題、材料力學(xué)性能設(shè)計(jì)提高的問題以及如何在航空航天領(lǐng)域復(fù)雜環(huán)境下的應(yīng)用問題都是亟待解決的，這些問題也制約了智能材料大規(guī)模應(yīng)用。

智能材料納米化、薄膜化、復(fù)合化、是其今后的發(fā)展方向，此外，壓電材料和鐵磁材料的耐極端環(huán)境的使用問題；發(fā)展形狀記憶材料疲勞測試體系；自愈合材料的熱穩(wěn)定性、可靠性、自修復(fù)性能更是未來研究熱點(diǎn)。

智能結(jié)構(gòu)的研究及應(yīng)用概述

智能結(jié)構(gòu)將基體、傳感器、驅(qū)動器和控制元件復(fù)合與組裝，不僅使結(jié)構(gòu)具有承力、傳載，還具有自診斷、自適應(yīng)、自修復(fù)等功能。目前智能結(jié)構(gòu)的發(fā)展經(jīng)歷了以下階段：（1）將傳感器集成在材料中使結(jié)構(gòu)帶有自診斷功能，可以監(jiān)測結(jié)構(gòu)自身的完整性、損傷情況以及振動情況等；（2）在自診斷基礎(chǔ)上可以修復(fù)自身狀態(tài)，即具有了自修復(fù)功能。對于智能材料自修復(fù)功能研究難度較大，并且處在試驗(yàn)室階段，實(shí)用報(bào)道較少[70]。

1 自診斷智能結(jié)構(gòu)

時(shí)刻掌握結(jié)構(gòu)性能可以針對性地制定運(yùn)行策略、實(shí)現(xiàn)基于狀態(tài)維護(hù)，對保障結(jié)構(gòu)安全運(yùn)行具有重要意義。因此需要針對航空航天結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)開發(fā)具有自診斷功能的智能結(jié)構(gòu)。

目前的自診斷智能結(jié)構(gòu)有以下3種：

（1）埋入光纖的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。

光纖傳感器由于其諸多優(yōu)點(diǎn)，如體積小、重量輕、抗電磁干擾、耐腐燭、化學(xué)性能穩(wěn)定、靈敏度髙、集成性好、復(fù)用性強(qiáng)等特點(diǎn)，因此在航空航天結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方面得到了廣泛的應(yīng)用[71]?；诠饫w傳感器的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法是利用光纖測得應(yīng)變場變化以此來表征結(jié)構(gòu)損傷以及載荷等情況[72-73]。

常用的光纖傳感器是光纖光柵傳感器。布拉格光柵光纖傳感器（FBG）是光柵光纖傳感器最為典型的一種。布拉格光柵光纖具有輕質(zhì)微小、測量精度高、響應(yīng)時(shí)間短、抗干擾能力強(qiáng)、遠(yuǎn)程感應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。NASA在X-33計(jì)劃中安裝了測量應(yīng)變和溫度的光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)，將其用于準(zhǔn)分布式應(yīng)變和氫濃度的測量，歐空局也將其作為重點(diǎn)的光纖傳感器研究[74]，如圖12是X-33航天飛機(jī)及其上面的光纖傳感系統(tǒng)。

分布式光纖傳感器也是基于光纖的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測上的一個(gè)重要分支[75]。分布式光纖監(jiān)測系統(tǒng)本質(zhì)上是分布調(diào)制的光纖傳感系統(tǒng)，是由激光光源、傳感光纖和檢測單元組成的自動監(jiān)測系統(tǒng)[76]。大連理工大學(xué)與西安飛機(jī)強(qiáng)度設(shè)計(jì)研究所共同開發(fā)基于分布式光纖傳感器的結(jié)構(gòu)狀態(tài)實(shí)時(shí)感知系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)感知受載情況下復(fù)合材料翼稍小翼的應(yīng)變場，如圖13為其傳感器安裝形式及應(yīng)變場感知結(jié)果[77]。

基于光纖傳感器的自診斷智能結(jié)構(gòu)對于應(yīng)變場重構(gòu)已具有較高的技術(shù)成熟度和廣泛的應(yīng)用，并且適于應(yīng)用在大面積結(jié)構(gòu)監(jiān)測。但是光纖傳感器的使用受環(huán)境影響較大，尤其是航空航天領(lǐng)域所需的耐極端環(huán)境。對于航空航天背景下的環(huán)境，例如高溫條件下，應(yīng)進(jìn)行環(huán)境因素補(bǔ)償研究。

圖12 X-33航天飛機(jī)及其上面的光纖傳感系統(tǒng)Fig.12 X-33 and distributed optical fiber sensor system

（2）集成聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。

材料中局域源快速釋放能量產(chǎn)生瞬態(tài)彈性應(yīng)力波的現(xiàn)象稱為聲發(fā)射 (Acoustic Emission，簡稱 AE)。這些瞬態(tài)彈性應(yīng)力波信號很微弱，人耳聽不到，必須借助先進(jìn)的設(shè)備來檢測。

聲發(fā)射具有動態(tài)檢驗(yàn)、適用于復(fù)雜構(gòu)件、監(jiān)測范圍大、敏感性高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域，尤其是復(fù)合材料的監(jiān)測[78-80]。聲發(fā)射可對活性缺陷（晶體材料塑性變形、斷裂和復(fù)合材料基體開裂、纖維和基體脫開、纖維拔出、纖維斷裂和纖維松弛等）隨載荷、時(shí)間、溫度等外變量而變化的實(shí)時(shí)或連續(xù)信息進(jìn)行監(jiān)測。圖14所示即為聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)在航空航天曲面蜂窩夾層板上的健康監(jiān)測應(yīng)用。Chen等[81]對飛行器整流罩在飛行過程中利用聲發(fā)射機(jī)載系統(tǒng)進(jìn)行損傷監(jiān)測。Hensman等[82]利用聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)實(shí)現(xiàn)對空客A320起落架的斷裂、損傷識別和定位監(jiān)測。Surgeon等[83]開展了基于聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)的復(fù)合材料板在拉伸作用下的損傷研究，研究了各參數(shù)下不同鋪層試件下的損傷演化和破壞機(jī)理。

聲發(fā)射自診斷智能結(jié)構(gòu)發(fā)展較為成熟，但是在結(jié)構(gòu)的功能性和可靠性方面仍需要繼續(xù)開發(fā)研究，還需進(jìn)一步開發(fā)聲發(fā)射信號處理分析技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識別技術(shù)。

（3）集成超聲導(dǎo)波監(jiān)測系統(tǒng)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。

超聲導(dǎo)波監(jiān)測法具有傳播距離遠(yuǎn)、易與結(jié)構(gòu)集成實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測，是目前國際結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的研究熱點(diǎn)和前沿技術(shù)[84]。超聲導(dǎo)波監(jiān)測是利用激發(fā)傳感器在結(jié)構(gòu)中激發(fā)超聲導(dǎo)波，導(dǎo)波在結(jié)構(gòu)中進(jìn)行傳播，由接收傳感器對導(dǎo)波信號進(jìn)行接收，再通過對接收到的信號進(jìn)行處理分析得到結(jié)構(gòu)的在線狀態(tài)。

超聲導(dǎo)波具有監(jiān)測面積大、效率高、可檢測多種損傷類型、可離線或在線監(jiān)測等優(yōu)點(diǎn)。超聲導(dǎo)波不僅可以用于監(jiān)測結(jié)構(gòu)中腐蝕、疲勞損傷和裂紋損傷[85]，監(jiān)測螺栓松動等連接狀態(tài)[86-87]，還可以監(jiān)測膠層破壞和脫粘[73, 88]。

大連理工大學(xué)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測團(tuán)隊(duì)開展了大量基于超聲導(dǎo)波的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的研究。在主動式損傷監(jiān)測方面，與中國商飛北京民用飛機(jī)技術(shù)研究中心聯(lián)合開展了多肋復(fù)合材料板的損傷定位（基于不同的損傷因子）的研究，探究了損傷診斷受激發(fā)頻率的影響[73,89]，該試驗(yàn)?zāi)苡行ёR別大于2cm2的模擬附著物損傷，損傷定位誤差小于2cm。該團(tuán)隊(duì)與北京航空制造工程研究所合作，利用超聲導(dǎo)波主動式損傷監(jiān)測技術(shù)開展了ARJ-21全尺寸復(fù)合材料尾翼加載監(jiān)測試驗(yàn)，研究了超聲導(dǎo)波在復(fù)雜結(jié)構(gòu)中傳播特性[90-91]，并基于超聲導(dǎo)波的研究提出了各種監(jiān)測方法，如復(fù)雜結(jié)構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化[92]、溫度條件下復(fù)合材料的監(jiān)測[90]、局部多損傷診斷定位[93]等。

圖13 復(fù)合材料翼稍小翼受載條件下狀態(tài)感知Fig.13 Condition perception of a composite winglet under loading

圖14 曲面蜂窩夾層板的聲發(fā)射監(jiān)測Fig.14 Acoustic emission monitoring system of curved honeycomb sandwich plate

在基于超聲導(dǎo)波的健康監(jiān)測工程化應(yīng)用方面，斯坦福大學(xué)Chang 教授與Acellent Technologies, Inc.合作開發(fā)了可集成壓電傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器的傳感器智能層技術(shù)，形成一種輕質(zhì)的可嵌入復(fù)合材料內(nèi)部或粘接在結(jié)構(gòu)表面的傳感器網(wǎng)絡(luò)智能層，為安裝帶來方便[94-97]。如圖15所示為其基本結(jié)構(gòu)，分布式傳感器可以安裝到柔性結(jié)構(gòu)上，且智能層除了易于安裝到復(fù)雜結(jié)構(gòu)上還有減少電磁噪聲、與基體連接可靠、可嵌入結(jié)構(gòu)內(nèi)部等優(yōu)點(diǎn)。

超聲導(dǎo)波自診斷智能結(jié)構(gòu)對于微小裂紋的損傷十分敏感，因此可以監(jiān)測材料的疲勞裂紋、脫粘損傷、腐蝕等損傷。但是由于傳感器布置的離散型使得監(jiān)測系統(tǒng)對結(jié)構(gòu)響應(yīng)的提取具有一定程度的非均一性，另外導(dǎo)波對環(huán)境的變化也比較敏感，因此需要開發(fā)適當(dāng)?shù)膿p傷診斷技術(shù)。

2 自修復(fù)智能結(jié)構(gòu)

復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用日益增多，覆蓋率己達(dá)40%～80%[98]。飛行器在使用壽命期限內(nèi)，使用和維護(hù)費(fèi)用高昂，高達(dá)50%。而復(fù)合材料本身的二維平面結(jié)構(gòu)決定了其抗沖擊損傷性能差，飛行器在使用過程中受不利天氣條件，降落過程中石頭或者巖石對龍骨沖擊維修時(shí)偶然觸碰及鳥擊等影響，會破壞復(fù)合材料完整性，在內(nèi)部微觀層面形成厚度方向（損傷容限能力最低）上的微裂紋和纖維和基體的分層，微裂紋一方面會聯(lián)合擴(kuò)展，另一方面還提供了污染物進(jìn)入結(jié)構(gòu)內(nèi)部的通道，這樣就大大降低了結(jié)構(gòu)承載能力，影響其使用壽命。

復(fù)合材料損傷難以檢測且修復(fù)困難，且常用的修補(bǔ)方法效果并不理想。為了解決材料內(nèi)部微裂紋難修復(fù)的問題，同時(shí)受到生物體損傷自愈合機(jī)理的啟發(fā)，自修復(fù)智能結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生，成為目前研究熱點(diǎn)問題[99]。

自修復(fù)智能結(jié)構(gòu)不僅能夠?qū)υ馐軟_擊損傷以及疲勞破壞的結(jié)構(gòu)進(jìn)行自行判斷、處理發(fā)生損傷的部位并恢復(fù)其性能，減少航天航空領(lǐng)域復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在損傷容限設(shè)計(jì)時(shí)增加的低效結(jié)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)更加輕質(zhì)高效，同時(shí)具有高強(qiáng)度、高韌性、自修復(fù)過程相對容易、成本低廉、維護(hù)費(fèi)用較少、提高產(chǎn)品安全性、延長產(chǎn)品使用壽命及維護(hù)能力等特點(diǎn)，大大降低維修和檢測等相關(guān)成本。但是對于自修復(fù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)用較少，主要是現(xiàn)在對于自修復(fù)結(jié)構(gòu)的可靠性以及極端環(huán)境的研究較少，需要加強(qiáng)這些方面的研究。

3 主動減振降噪智能結(jié)構(gòu)

復(fù)合材料損傷難以檢測且修復(fù)困難，且常用的修補(bǔ)方法效果并不理想。為了解決材料內(nèi)部微裂紋難修復(fù)的問題，同時(shí)受到生物體損傷自愈合機(jī)理的啟發(fā)，自修復(fù)智能結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生，成為目前研究熱點(diǎn)問題。

國內(nèi)外飛行器出現(xiàn)過多起由于振動和噪聲引起的疲勞損傷現(xiàn)象[100-103]，飛行器減振降噪技術(shù)的研究非常重要。F/A-18飛機(jī)在飛行時(shí)間不超過1000h就發(fā)生了后機(jī)身框段的振動疲勞損傷。對于該型號飛機(jī)振動問題，包括美國在內(nèi)的多個(gè)國家開展了減振研究，主要是利用壓電主動控制技術(shù)減少振動問題的產(chǎn)生。通過優(yōu)化壓電作動器配置來控制垂尾的振動，并通過試驗(yàn)測試了其應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。試驗(yàn)表明，對垂尾振動進(jìn)行有效控制后，尾翼根部應(yīng)變得到有效的控制，研究中的一些試驗(yàn)情況如圖6所示[104]。德國空間中心針對ARIANE 5運(yùn)載火箭開發(fā)了一種代替?zhèn)鹘y(tǒng)適配器的主動有效載荷隔振適配器，如圖16所示[105]。該適配器作用是將火箭有效載荷中的振動隔離開，主要隔振類型包括升壓器點(diǎn)火、增壓器壓力、振蕩以及助推器分離等，可以在低頻段內(nèi)有效改善航天器載荷環(huán)境。

飛機(jī)在飛行階段中會產(chǎn)生各種各樣的噪聲，這些噪聲大多數(shù)來自飛機(jī)發(fā)動機(jī)。針對發(fā)動機(jī)降噪問題，古德里奇公司研制了用于波音777飛機(jī)短艙的復(fù)合材料消音襯墊[106]。該消音襯墊為碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料，為多層蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，如圖17所示。

圖15 智能夾層結(jié)構(gòu)Fig.15 Smart layer structure

圖16 主動有效載荷適配器在ARIANE 5中安裝Fig.16 Pizeo-loaded adapter in ARIANE 5

襯墊內(nèi)表面存在拼縫是阻礙降噪的一大難題。賽峰集團(tuán)旗下的埃賽公司為空客A380研發(fā)的短艙內(nèi)壁帶有先進(jìn)的消音襯墊，消音襯墊是由復(fù)合材料整體成型，襯墊內(nèi)表面不存在拼縫，更為有效地阻止了噪聲傳播。這些吸音襯墊在飛機(jī)起飛過程中可降低發(fā)動機(jī)的噪聲約4～5dB，而降落過程中仍可以降低發(fā)動機(jī)的噪聲約為2dB[106]。

飛行器振動與噪聲控制一般運(yùn)用于飛行器嚴(yán)重載荷部位及飛行器艙室內(nèi)部容易產(chǎn)生振動或安裝有精密儀器之處。包括飛行器發(fā)動機(jī)臨近結(jié)構(gòu)減振降噪，以此減少飛機(jī)振動疲勞損傷的發(fā)生；飛行器薄壁結(jié)構(gòu)振動與噪聲控制，以避免來自外界環(huán)境及內(nèi)部器件的振動和噪聲引起的結(jié)構(gòu)疲勞、斷裂等；艙內(nèi)噪聲控制，增大精密儀器的使用壽命、提高工作人員的安全性；火箭整流罩內(nèi)部振動與噪聲控制，以保護(hù)火箭有載荷以及內(nèi)部精密儀器。

圖17 復(fù)合材料消音襯墊Fig.17 Composite acoustic panel

4 智能結(jié)構(gòu)研究存在問題及展望

智能結(jié)構(gòu)作為一個(gè)新興的前沿學(xué)科，涉及到傳感技術(shù)、微電子技術(shù)、驅(qū)動技術(shù)、信號處理技術(shù)等，涉及領(lǐng)域比較廣，相對的開展研究難度較大，但其應(yīng)用前景廣闊。智能結(jié)構(gòu)所具有的自診斷、自修復(fù)、減振降噪等能力對保障航空航天結(jié)構(gòu)的安全性能有重要意義。

航空航天領(lǐng)域所需的智能結(jié)構(gòu)通常需要在復(fù)雜的環(huán)境下使用，例如高溫、低溫、振動等，目前的光纖、壓電等傳感器需要在穩(wěn)定的環(huán)境下使用，對于復(fù)雜環(huán)境，其使用需要進(jìn)行環(huán)境補(bǔ)償且容易發(fā)生失效；自診斷智能結(jié)構(gòu)需進(jìn)一步開發(fā)信號處理分析技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識別技術(shù)還需進(jìn)一步發(fā)展；自修復(fù)智能結(jié)構(gòu)的研究目前還停留在實(shí)驗(yàn)室階段，應(yīng)發(fā)展可靠性評估體系，并進(jìn)一步加強(qiáng)其使用的安全性能；主動減振降噪智能結(jié)構(gòu)應(yīng)該進(jìn)行材料和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低噪聲和振動，保證飛行器的安全性。

針對極端環(huán)境可靠性、變化環(huán)境因素補(bǔ)償問題、結(jié)構(gòu)和材料的安全性以及優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，未來智能結(jié)構(gòu)發(fā)展主要在開發(fā)新型智能材料、設(shè)計(jì)新型傳感器、發(fā)展有效環(huán)境補(bǔ)償方法以及進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方向發(fā)展。

結(jié)論

本文討論了幾種智能材料和智能結(jié)構(gòu)的發(fā)展以及在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用闡述。

對于智能材料來說，雖然性能優(yōu)異，但是每種材料本身有其局限性。（1）在航空航天等許多工業(yè)和科研部門迫切需要能夠在更高的溫度下工作的電子設(shè)備，所以高居里溫度壓電材料是現(xiàn)在壓電材料研究熱點(diǎn)。（2）如何提高形狀記憶材料的變形能力也是研究重點(diǎn)之一。（3）對于智能材料，其功能特殊化、復(fù)合化以及結(jié)構(gòu)微型化將是研究的重點(diǎn)方向。

對于智能結(jié)構(gòu)來說，其未來的應(yīng)用前景主要集中在以下方面： （1）智能結(jié)構(gòu)已經(jīng)在航空航天領(lǐng)域有了較大的發(fā)展，但是實(shí)用價(jià)值還需要進(jìn)一步開發(fā)，需要研究人員對智能材料進(jìn)行改性、對智能結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以此來滿足對航空航天領(lǐng)域在線狀態(tài)監(jiān)測、減振降噪、自動修復(fù)等材料和結(jié)構(gòu)的需求，為其更廣泛的應(yīng)用提供技術(shù)基礎(chǔ)； （2） 隨著智能材料和結(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展，困擾飛行器實(shí)現(xiàn)自感知、自診斷、自驅(qū)動、自修復(fù)等功能的相關(guān)智能結(jié)構(gòu)會逐步發(fā)展。智能結(jié)構(gòu)的發(fā)展會推動航空航天結(jié)構(gòu)向智能化方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)飛行器的減重提效、減少維護(hù)成本、提高安全性等。

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