戴江浩

摘 要：智能材料是一種新型的多功能材料，可以幫助材料實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的功能化和多樣化，智能結(jié)構(gòu)在整個(gè)結(jié)構(gòu)形成過程中集成智能材料，作為傳感器和驅(qū)動(dòng)器，保證整個(gè)結(jié)構(gòu)具有連接、感知、自診斷、自修復(fù)的功能，更好地可以適應(yīng)外界的環(huán)境和變化，提升整個(gè)航空航天架構(gòu)的性能。就當(dāng)前智能材料和智能結(jié)構(gòu)已經(jīng)變成了航空航天架構(gòu)研究的重點(diǎn)，根據(jù)國內(nèi)外研究的主要進(jìn)展，通過對(duì)智能結(jié)構(gòu)的研究及應(yīng)用前景進(jìn)行分析，了解關(guān)于智能材料和結(jié)構(gòu)所面臨挑戰(zhàn)的問題。

關(guān)鍵詞：智能材料 智能結(jié)構(gòu) 問題

中圖分類號(hào)：V259 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2018）01（c）-0016-02

智能材料本身是具有感知驅(qū)動(dòng)控制功能的智能化的材料，智能材料代表的是材料科學(xué)中最為活躍的一方面。智能材料結(jié)構(gòu)在航空領(lǐng)域上具有最典型的功能實(shí)現(xiàn)，最早開展智能材料研究的就是航空領(lǐng)域。航空科技的不斷發(fā)展，使得材料的結(jié)構(gòu)也不斷提升，智能材料在航空飛行器上的應(yīng)用主要是有自適應(yīng)機(jī)翼震動(dòng)噪、聲控制和健康結(jié)構(gòu)檢測等。本文主要是根據(jù)上述材料發(fā)展的背景從智能材料的研究和基本性質(zhì)使用案例等方面對(duì)于智能材料進(jìn)行一定的探究，總結(jié)現(xiàn)代航空航天智能材料結(jié)構(gòu)的研究中存在的問題，并且對(duì)于航空航天智能材料和結(jié)構(gòu)未來發(fā)展的趨勢進(jìn)行一定的探討。

1 智能材料的研究及進(jìn)展概述

20世紀(jì)80年代人們提出了關(guān)于智能材料的概念，它是根據(jù)工作時(shí)期發(fā)揮的作用不同，可以分為兩個(gè)類別：一種是可以被感知的材料，就是可以感知外界刺激的智能材料。比方說壓電材料、形狀記憶材料、鐵磁材料；另一種是可以根據(jù)外部環(huán)境或者外部的狀態(tài)而產(chǎn)生的材料，通常被作為執(zhí)行器。

1.1 壓電材料

壓電材料是基本的機(jī)械能向電能不斷轉(zhuǎn)化的一種智能型的材料.壓電材料具有大帶寬的信號(hào)，而且它具有高能量的轉(zhuǎn)化器，被用于傳感驅(qū)動(dòng)和振動(dòng)控制。而且壓電材料還可以承受相應(yīng)的高溫環(huán)境，比方說壓電材料可以保證效應(yīng)的機(jī)械能和電能可以相互轉(zhuǎn)化。利用壓電材料的合外力作用下產(chǎn)生的電荷相遇，通常就會(huì)被置成智能材料，利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，即使在外電場的作用下，材料也會(huì)產(chǎn)生變形，而形成一種效應(yīng)，可以用作驅(qū)動(dòng)性的材料。

1.2 鐵磁材料

鐵磁材料在運(yùn)用過程中，可以保證機(jī)械能向磁能不斷轉(zhuǎn)化的智能材料。鐵磁材料在磁場的作用下會(huì)產(chǎn)生變形，這種現(xiàn)象我們通常叫做磁致伸縮反應(yīng)。利用磁致伸縮正效應(yīng)使得磁場作用的材料發(fā)生一定的變形，把它當(dāng)作一定的驅(qū)動(dòng)器，利用磁致伸縮逆效應(yīng)可以導(dǎo)致材料發(fā)生變形后產(chǎn)生一定的磁場，加強(qiáng)傳感器的作用。利用磁致伸縮正逆耦合的效應(yīng)可以保證驅(qū)動(dòng)力測試和輸入力量，感知控制為一體的驅(qū)動(dòng)性的材料器件。

1.3 形狀記憶材料

形狀記憶材料是具有一定初始材料形成，并且固定形成一定形狀，通過光熱電的物理材料的刺激，可以恢復(fù)成一種形狀，具有一定的形狀記憶材料。在20世紀(jì)80年代，被廣泛運(yùn)用在航空航天領(lǐng)域，而且形狀記憶材料的新型智能變形飛行器的發(fā)展，也是飛行器智能化發(fā)展的一大突破口。

1.4 智能復(fù)合材料

智能材料本身具有自身的局限性，智能復(fù)合材料可以克服智能材料本身存在的局限性，更好地加大智能材料的發(fā)揮。20世紀(jì)70年代發(fā)展出來的一種多功能的復(fù)合材料，在發(fā)展過程中對(duì)聲音具有一定的阻抗密度和壓力系數(shù)相對(duì)來說較低，它可以改善壓電陶瓷易碎的弱點(diǎn)，而且可以保證壓電纖維復(fù)合材料更好地發(fā)揮它的功效。智能復(fù)合材料中還有一種是鐵磁復(fù)合材料，它作為一種集合體電和鐵磁的特點(diǎn)，具有磁的相互轉(zhuǎn)化的功能，并且還有磁電相互轉(zhuǎn)化的方式產(chǎn)生特殊的磁電效應(yīng)。復(fù)合材料運(yùn)用的功能較為獨(dú)特，在磁場感應(yīng)器領(lǐng)域的應(yīng)用較為廣泛，20世紀(jì)40年代有學(xué)者對(duì)于材料進(jìn)行一定的研究，20世紀(jì)90年代開始國外學(xué)者開始研究了一種新型的復(fù)合材料，并且取得了一定的成果。

2 智能結(jié)構(gòu)研究的應(yīng)用概括

智能結(jié)構(gòu)是將機(jī)體傳感器驅(qū)動(dòng)器和控制原件進(jìn)行復(fù)合組裝，不僅能保證整個(gè)結(jié)構(gòu)具有傳載和傳承的功能，還能保證具有自診斷自修復(fù)的功能。當(dāng)前智能材料的研究經(jīng)歷了以下兩個(gè)階段：首先是在傳感器集成的材料中保證結(jié)構(gòu)具有一定的自診斷功能，可以對(duì)于結(jié)構(gòu)自身進(jìn)行一定探究，檢測它的結(jié)構(gòu)的完整性，其次可以修復(fù)自身的狀態(tài)，具有自修復(fù)的功能，對(duì)于智能材料的修復(fù)難度較大，還處于實(shí)驗(yàn)階段，研究相對(duì)來說較少。

2.1 自診斷智能結(jié)構(gòu)

自診斷智能結(jié)構(gòu)可以時(shí)刻掌握結(jié)構(gòu)的性能，針對(duì)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，而制定相應(yīng)的策略，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的維護(hù)。對(duì)于保障結(jié)構(gòu)質(zhì)量安全運(yùn)行具有一定的意義，因此針對(duì)航空航天結(jié)構(gòu)發(fā)展的特點(diǎn)，自診斷功能的智能結(jié)構(gòu)在發(fā)展過程中會(huì)采用相應(yīng)的復(fù)合材料。比方說超聲波自診斷智能材料就是對(duì)于細(xì)小裂縫的損傷十分敏感，可以監(jiān)測材料的疲勞裂紋和損傷程度，對(duì)于整個(gè)傳感器的布置和監(jiān)控以及結(jié)構(gòu)的提取具有一定的均勻性，而且導(dǎo)播對(duì)于環(huán)境的變化影響也非常敏感，適當(dāng)?shù)拈_發(fā)可以進(jìn)行材料損傷的診斷。

2.2 自修復(fù)智能材料

復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，飛行材料使用的壽命具有一定的期限。維修費(fèi)用非常高，高達(dá)整個(gè)制造材料的50%。而且復(fù)合材料本身的結(jié)構(gòu)決定了它具有抗沖擊性、損傷性較差的特點(diǎn)。而且飛行器在使用過程中由于天氣不利影響和石頭、巖石偶然碰撞，都會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料的完整性被破壞，存在一定的裂紋。而另一方面如果污染物進(jìn)入了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的通道，就會(huì)降低材料承載的能力，影響材料的壽命，復(fù)合材料的損傷難以修復(fù)，而且修復(fù)過程非常困難。常用的修復(fù)方式并不是很理想，為了解決材料內(nèi)部維修難的問題，受到生物損傷自愈性的啟發(fā)，可以用于智能結(jié)構(gòu)的研究。

3 智能材料和智能結(jié)構(gòu)研究存在的問題和展望

智能材料是目前航空航天材料研究過程中的熱點(diǎn)，集物理、化學(xué)、材料、機(jī)械等眾多領(lǐng)域的研究，發(fā)展非常廣泛。但是還存在一定的問題，比方說材料復(fù)活化，相融性就會(huì)變得小，而且在加工過程中也會(huì)產(chǎn)生一定的問題。材料力學(xué)性能的提升以及在航天空航天在的環(huán)境問題，這些問題都是制約了智能材料發(fā)展的原因。

智能材料本身就是納米化薄膜和復(fù)活化，可以幫助智能材料更好地發(fā)展。此外壓電材料、鐵磁材料的環(huán)境下使用的問題，發(fā)展形狀記憶材料可以提高自愈材料的穩(wěn)定性，這些材料都可以保證材料更好地發(fā)展，同時(shí)對(duì)于未來的研究也非常重要。

智能材料是一種新型的科學(xué)應(yīng)用，涉及到的傳感技術(shù)、微電子技術(shù)、驅(qū)動(dòng)技術(shù)、信號(hào)技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域展開的研究范圍非常廣。但是難度也不是特別大，智能結(jié)構(gòu)對(duì)于自診斷、自修復(fù)和降低噪音等能力很強(qiáng)，對(duì)于航天航空的結(jié)構(gòu)安全性具有一定的意義。

航空航天結(jié)構(gòu)所需要的智能結(jié)構(gòu)通常情況下在使用的范圍都是復(fù)雜的環(huán)境。比如說高溫、高壓和震動(dòng)的環(huán)境，面對(duì)復(fù)雜的環(huán)境在使用的過程中會(huì)容易發(fā)生失效，而且結(jié)構(gòu)在開展過程中，信號(hào)處理的部分已經(jīng)非常成熟。但是智能系統(tǒng)還需要不斷地發(fā)展，自修復(fù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)還停留在實(shí)驗(yàn)性階段，還需要繼續(xù)研發(fā)，才能保證飛機(jī)在飛行時(shí)可以降低噪聲和振動(dòng)，保證飛行器的安全。針對(duì)環(huán)境變化，材料和結(jié)構(gòu)的安全性的問題，未來智能材料結(jié)構(gòu)的研究應(yīng)該不斷開發(fā)新型的材料設(shè)計(jì)、新型的傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)于環(huán)境問題的補(bǔ)償。

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