智能材料的研究現(xiàn)狀與未來發(fā)展趨勢(shì)

鄧煥

摘 要： 智能材料這一概念在上世紀(jì)80年代首次被提出，近年來，關(guān)于智能材料在航空航天領(lǐng)域的研究與應(yīng)用被頻繁提及。由于智能材料具備著結(jié)構(gòu)整體性強(qiáng)、可塑性高、功能多樣化等優(yōu)點(diǎn)，因此在航空航天領(lǐng)域得到了廣泛的研究與使用，首先根據(jù)功能性的不同對(duì)智能材料進(jìn)行了系統(tǒng)的分類與概述，然后對(duì)當(dāng)前智能材料在航空航天領(lǐng)域的主要應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)性的分析與總結(jié)，最后對(duì)智能材料在未來的航空航天的應(yīng)用前景中進(jìn)行了進(jìn)一步地展望。

關(guān)鍵詞： 智能材料；復(fù)合材料；航空航天；功能多樣化

1 引言

進(jìn)入二十一世紀(jì)以來，全球各大航空航天強(qiáng)國(guó)在航天航空領(lǐng)域投入了大量的研發(fā)資金，而作為航空航天領(lǐng)域重要環(huán)節(jié)的航天材料，近年來也不斷有著新的突破，而其中被提及最多的就是智能材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用。在智能材料的范疇中，智能復(fù)合材料最具有代表性，智能復(fù)合材料主要具備著：外界環(huán)境感知功能；判斷決策功能；自我反饋功能；執(zhí)行功能等。此外，由于當(dāng)前智能復(fù)合材料都向著輕量化、低成本化的方向發(fā)展，因此在航天領(lǐng)域復(fù)合材料的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)以及使用用途上都有著不同的側(cè)重發(fā)展方向。而近年來國(guó)內(nèi)外各國(guó)也均加快了各自在該領(lǐng)域的研發(fā)使用發(fā)展進(jìn)度，主要的研究大方向還是集中在了智能檢測(cè)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、低成本化等方向上，本文著重對(duì)相關(guān)部分進(jìn)行系統(tǒng)性的概述與總結(jié)。

2 航空航天領(lǐng)域智能復(fù)合材料的功能介紹

在航空航天領(lǐng)域中，國(guó)內(nèi)外普遍利用智能復(fù)合材料以實(shí)現(xiàn)在降低航空航天飛行器的自身重量的前提下保證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，其次根據(jù)復(fù)合智能材料具備智能檢測(cè)自身系統(tǒng)內(nèi)部工作狀態(tài)和自愈合等功能實(shí)現(xiàn)航空航天材料在微電子與智能應(yīng)用方向的交叉發(fā)展。

2.1 智能復(fù)合材料在航天結(jié)構(gòu)檢測(cè)方向的應(yīng)用

智能復(fù)合材料在航空航天器中的應(yīng)用，主要是通過將傳感器以嵌入的方式與原始預(yù)浸料鋪層以及濕片鋪層等智能復(fù)合材料緊密鍵合，最終集成在控制芯片控制器上實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控診測(cè)、自我修復(fù)等供能，值得注意的是，在這一過程中，智能化不僅僅是符合材料的必要功能，復(fù)合材料在很大程度上可以有效承受比傳統(tǒng)應(yīng)用材料更大外界機(jī)械壓力[1]。

除此之外，由于智能復(fù)合材料作為傳感器的鋪放襯底，因此智能復(fù)合材料還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的狀況進(jìn)行收集并且將出現(xiàn)的諸如溫度異常、結(jié)構(gòu)異常、表面裂痕等隱患及時(shí)反饋至中央處理器，這在一定程度上可以有效實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部的檢測(cè)與壽命預(yù)測(cè)，在這方面的技術(shù)上，美國(guó)的Acellent公司研發(fā)的纏繞型復(fù)合材料以壓力感應(yīng)的形式，按照矩形布線形式對(duì)整個(gè)飛船的殼體實(shí)現(xiàn)損傷檢測(cè)，其中主要根據(jù)檢測(cè)到的損傷前后信號(hào)的差異進(jìn)行歸一化處理，對(duì)反饋的信號(hào)進(jìn)行偵測(cè)辨認(rèn)，最終確定損傷位置以及損傷的程度采集。此外有研究表明，一種型號(hào)為FGB的傳感器與復(fù)合材料黏貼于飛行器的外部元器件表層，可以有效實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器發(fā)射與返航過程中的實(shí)時(shí)壓力監(jiān)控與溫度過載監(jiān)控，從而有效獲得飛行器的剩余壽命期限[2]。

2.2 智能復(fù)合材料在航空自愈能力方向的應(yīng)用

航空航天飛行器在飛行過程中不僅僅要受到外部壓力對(duì)自身的結(jié)構(gòu)影響，還會(huì)在高速飛行狀態(tài)下對(duì)飛行器表層產(chǎn)生細(xì)微的微觀損傷，這些細(xì)節(jié)部分的損傷往往不容易發(fā)現(xiàn)，但是這些損傷的積累將會(huì)直接影響整個(gè)系統(tǒng)使用狀態(tài)的下降，并且會(huì)對(duì)系統(tǒng)的安全帶來極大的隱患。而且考慮到整個(gè)飛行器的開發(fā)投入成本較大，保障其使用壽命首當(dāng)其沖，因此采用具備著自愈合能力的智能復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性是一個(gè)重大的發(fā)展方向。傳統(tǒng)的修復(fù)手段主要是對(duì)出現(xiàn)損傷的部分實(shí)現(xiàn)機(jī)械修復(fù)，但是宏觀層面的修復(fù)該種方法尚可維持，但是往往飛行器內(nèi)部的微觀損傷很難通過該種方法實(shí)現(xiàn)修復(fù)，因此使用復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)飛行器內(nèi)部精密器件的自我愈合具有著重要的意義。而關(guān)于具備著自我愈合功能的復(fù)合材料的自我愈合方式主要有原位自修復(fù)和埋植式自修復(fù)兩種，關(guān)于原位自修復(fù)，它主要是材料本身就具備自修復(fù)功能，直接可以對(duì)自身內(nèi)部與外部損傷部位實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性的修復(fù)；而關(guān)于埋植式修復(fù)，則是模仿了生物系統(tǒng)修復(fù)能力的一種修復(fù)能力對(duì)自身損傷部分進(jìn)行指定性修復(fù)，這種修復(fù)手段的好處在于可以根據(jù)壓力和溫度的指標(biāo)將自身分散的一種修復(fù)劑流入相關(guān)損失部位與表面催化劑發(fā)生聚合反應(yīng)實(shí)現(xiàn)表面裂紋修復(fù)和內(nèi)部損傷修復(fù)的雙重功效[3]。

2.3 形狀記憶復(fù)合材料的航天領(lǐng)域應(yīng)用

形狀記憶復(fù)合材料具備著優(yōu)異的形狀記憶回復(fù)能力，而且其展開過程較為平緩，不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)本體產(chǎn)生較為劇烈的振動(dòng)影響，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從而最終為航天飛行器的運(yùn)載穩(wěn)定性提供了有效的保障。

關(guān)于航天飛行器中的空間展開性研究主要包括了套筒式空間可伸展機(jī)構(gòu)、桁架式空間可伸展機(jī)構(gòu)和充氣式空間可展開機(jī)構(gòu).在航天器中，傳統(tǒng)折疊式空間展開與結(jié)構(gòu)鎖定都是通過鉸鏈實(shí)現(xiàn)的，但是記憶復(fù)合材料的介入可以實(shí)現(xiàn)更為智能化的代替。

常見的空間展開結(jié)構(gòu)還有：套筒式空間可伸展機(jī)構(gòu)一般通過螺旋傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)，一般在高功率運(yùn)載條件下，滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)的工作方式可以有效實(shí)現(xiàn)帆板展開之后具備著較好的自身剛度強(qiáng)度。桁架式空間可伸展機(jī)構(gòu)一般可分為兩類，即構(gòu)架式空間可伸展機(jī)構(gòu)和桁架式天線可展開機(jī)構(gòu).其中構(gòu)架式空間可展開機(jī)構(gòu)又可分為兩類： 壓盤桿展開機(jī)構(gòu)和鉸鏈桿展開機(jī)構(gòu). 壓盤桿展開機(jī)構(gòu)用彈性桿件，以周向盤旋方式進(jìn)行收攏[4]。

所謂記憶性復(fù)合材料在空間伸展結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，主要是指的記憶復(fù)合材料制作而成的鉸鏈，這些鉸鏈主要應(yīng)用于太陽能電池帆板展開過程中，更加有效地實(shí)現(xiàn)帆板在不同條件下的展開角度以及展開面積等，在美國(guó)這方面的研究已經(jīng)有了顯著的進(jìn)展，而國(guó)內(nèi)的的這方面研究也由哈爾濱工業(yè)大學(xué)等軍工院校實(shí)現(xiàn)突破性的研發(fā)進(jìn)展，目前地面試驗(yàn)已經(jīng)基本完成，并且朝著下一步快速發(fā)展[5]。

3. 智能復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1 軍工軍機(jī)領(lǐng)域的智能復(fù)合材料的應(yīng)用

目前以美國(guó)為首的西方國(guó)家的四代戰(zhàn)機(jī)已經(jīng)研發(fā)成熟，我國(guó)的四代戰(zhàn)機(jī)也在深度耕耘著，在四代戰(zhàn)機(jī)中，戰(zhàn)機(jī)自身的穩(wěn)定性與隱身性能是主要的研發(fā)方向，這里面離不開智能復(fù)合材料的應(yīng)用。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外新一代的戰(zhàn)機(jī)機(jī)身普遍開始普及復(fù)合材料的使用，主要是利用了智能復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)輕便并且具備隱形特性的優(yōu)點(diǎn)，機(jī)身質(zhì)量的減輕很大程度上提高了戰(zhàn)機(jī)的續(xù)航能力，保證了遠(yuǎn)程目標(biāo)打擊實(shí)現(xiàn)的可能性，而復(fù)合材料提供的隱身特性則可以進(jìn)一步保證戰(zhàn)機(jī)作戰(zhàn)過程中自身的隱蔽性，為戰(zhàn)機(jī)的安全帶來了保障。

在軍機(jī)中常用到的智能復(fù)合材料例如當(dāng)前使用較為普及的碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料，此前該材料通常使用在軍機(jī)的輔助結(jié)構(gòu)部件上面，但是隨著近年來這方面的技術(shù)手段進(jìn)一步提升，在軍機(jī)的一些主要零部件以及主要機(jī)身部位開始逐漸采用碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料來提升軍用飛機(jī)的抗腐蝕性和它自身的抗疲勞性，最終實(shí)現(xiàn)減輕整體機(jī)身的重量，提升飛行的高效性的作用。以國(guó)外的比較先進(jìn)的四代戰(zhàn)機(jī)F22為例， 因?yàn)槠渥陨硌埠竭^程中超音速巡航時(shí)長(zhǎng)存在，在這一過程中，高速飛行帶來的飛機(jī)表層空氣劇烈摩擦聚熱現(xiàn)象嚴(yán)重，普通材料在這一條件下因?yàn)椴荒艹惺芨邷厣踔習(xí)砥鸹鸬碾[患，因此采用智能復(fù)合材料例如雙馬來酰亞胺樹脂基體材料可以很大幅度提高機(jī)身表面的耐熱特性，為超音速飛行中的安全提供有效的保障[6]。

3.2 民航民機(jī)領(lǐng)域的智能復(fù)合材料的應(yīng)用

智能復(fù)合材料在民航客機(jī)中的應(yīng)用和軍機(jī)的使用不盡相同，主要是因?yàn)樗鼈冏陨硭男械闹悄軠?zhǔn)則不同，民航客機(jī)以載客作為自身主要運(yùn)載職能，對(duì)于安全性、舒適性、穩(wěn)定性有著更高的要求，因此智能復(fù)合材料應(yīng)用在民航客機(jī)后給乘客所帶來的自身體驗(yàn)感很大程度上會(huì)制約智能復(fù)合材料的應(yīng)用。并且當(dāng)前關(guān)于智能復(fù)合材料應(yīng)用在民航客機(jī)上的各方面參數(shù)也并不多數(shù)，據(jù)了解，民航客機(jī)上智能復(fù)合材料的應(yīng)用目前做的比較前沿的主要有波音公司和空客兩家航空巨頭，這里面主要使用到的就是結(jié)構(gòu)型智能復(fù)合材料和機(jī)身內(nèi)部的復(fù)合材料，這兩家公司在機(jī)身內(nèi)部的復(fù)合材料的使用占比最高目前可達(dá)52%，這已經(jīng)是目前商用客機(jī)中智能復(fù)合材料占比最高的案例。

4智能材料在航空航天領(lǐng)域的未來發(fā)展前景

在當(dāng)今環(huán)球的大環(huán)境中，航空航天的快速發(fā)展離不開復(fù)合材料的不斷創(chuàng)新與應(yīng)用，而智能復(fù)合材料由于兼具智能感知、自我判斷、自動(dòng)執(zhí)行指令以及結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定和隱身等特性，具有著非常廣闊的應(yīng)用空間和前景，隨著空間技術(shù)的進(jìn)步，各空間大國(guó)均已進(jìn)行了大量研究和開發(fā)，部分技術(shù)已接近實(shí)用階段。在航天航空領(lǐng)域，近幾十年我國(guó)逐漸加入航空航天大國(guó)的隊(duì)列，但是與國(guó)際美國(guó)俄羅斯這些國(guó)家的相關(guān)技術(shù)仍然有著較大的差距，如何在接下來奮起直追實(shí)現(xiàn)彎道超車，尋找新技術(shù)的突破口，智能復(fù)合材料的研究不失為一個(gè)重要的方向。

5結(jié)論

隨著航空航天領(lǐng)域在當(dāng)今全球環(huán)境中的迅速發(fā)展，各國(guó)針對(duì)這一領(lǐng)域的突破口都主要集中在了智能材料的研發(fā)上，本文針對(duì)航空航天兩個(gè)領(lǐng)域中智能復(fù)合材料的應(yīng)用展開了系統(tǒng)性的概述與總結(jié)，分析了具備著外界環(huán)境感知功能、判斷決策功能、自我反饋功能、執(zhí)行功能等一類先進(jìn)的智能復(fù)合材料的研究與使用進(jìn)展，隨著這些智能復(fù)合材料具備著成本較低、結(jié)構(gòu)性更加穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，無論是未來的航天領(lǐng)域還是軍用民用大飛機(jī)的發(fā)展上都會(huì)有著廣泛的應(yīng)用前景。

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