智能材料在航空工業(yè)中的應(yīng)用和發(fā)展建議

段東升

摘 ? 要：隨著航空工業(yè)的發(fā)展，為了使材料實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的功能化和多樣化，智能材料技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。智能材料是一種新型的多功能材料，其作為傳感器和驅(qū)動(dòng)器在航空領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。智能材料具有連接、感知、自診斷、自修復(fù)的功能，可以在外界高溫差、強(qiáng)震動(dòng)等復(fù)雜的環(huán)境中，有效提升執(zhí)行任務(wù)的航空器結(jié)構(gòu)的安全性能。本課題旨在通過(guò)國(guó)內(nèi)外研究的現(xiàn)狀，探究智能材料在航空工業(yè)領(lǐng)域研發(fā)中存在的問(wèn)題，提出關(guān)于智能材料未來(lái)發(fā)展的建議。

關(guān)鍵詞：智能材料 ?智能結(jié)構(gòu) ?應(yīng)用 ?問(wèn)題

中圖分類(lèi)號(hào)：V259 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2019）02（b）-0012-02

具有傳感、連接、驅(qū)動(dòng)和控制功能的智能結(jié)構(gòu)化的材料，我們通常稱之為智能材料。智能材料是材料科學(xué)中最為活躍的一個(gè)發(fā)展和研究的前沿領(lǐng)域。智能材料結(jié)構(gòu)在航空領(lǐng)域具有十分重要的應(yīng)用前景，廣泛運(yùn)用在智能蒙皮、飛行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、直升飛機(jī)旋翼輪葉、翼面的彈性氣動(dòng)設(shè)計(jì)、能夠?qū)崿F(xiàn)精確控制的智能結(jié)構(gòu)等方面。本課題旨在通過(guò)智能材料的研究背景和現(xiàn)狀，分析航空航天領(lǐng)域智能材料結(jié)構(gòu)研發(fā)中存在的問(wèn)題，對(duì)航空航天智能材料未來(lái)研發(fā)的方向提出建議。

1 ?智能材料的研究背景和現(xiàn)狀

智能材料的概念是日本高木俊宜教授1989年11月首次提出的。日本、美國(guó)、和歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家非常重視重視，在材料研究領(lǐng)域掀起了一場(chǎng)科研競(jìng)賽。智能材料的初始想法受到仿生學(xué)的啟發(fā)，譬如模仿鳥(niǎo)類(lèi)的飛行制造飛行器，初始理念是想研制一種材料，使其具有類(lèi)似生物的“活”的功能，具備感知、驅(qū)動(dòng)和控制這3個(gè)基本要素。但是現(xiàn)有研發(fā)的材料絕大部分難以同時(shí)滿足條件，隨著研究工作的深入開(kāi)展，可以用作智能材料的種類(lèi)在不斷擴(kuò)大，目前我們對(duì)于智能材料的分類(lèi)只能是粗淺的。我們通常按智能材料的用途分為兩類(lèi)：一種是可以感知外界刺激的智能材料，譬如說(shuō)具有一定的形狀記憶的材料、具有機(jī)械能向電能轉(zhuǎn)化的材料、具有機(jī)械能向磁能轉(zhuǎn)化的材料;另一種是具有磁磁相互轉(zhuǎn)化和磁電相互轉(zhuǎn)化的功能，可以隨著外部環(huán)境或者外部的狀態(tài)而生成的材料，利用智能復(fù)合材料的這種特性，我們通常讓其擔(dān)當(dāng)執(zhí)行器的角色。

1.1 壓電型智能材料

我們把機(jī)械能與電能相互轉(zhuǎn)化的智能型的材料，統(tǒng)稱為壓電型智能材料。壓電型智能材料在航空航天領(lǐng)域通常用作傳感驅(qū)動(dòng)和振動(dòng)控制。同時(shí)壓電材料還可以承受復(fù)雜的高溫環(huán)境，保障相應(yīng)的機(jī)械能和電能可以相互轉(zhuǎn)化。

1.2 鐵磁型智能材料

在應(yīng)用過(guò)程中，鐵磁型智能材料通?？梢詫?shí)現(xiàn)機(jī)械能與磁能的不斷轉(zhuǎn)化。形成磁致伸縮效應(yīng)。磁致伸縮正效應(yīng)可以使磁場(chǎng)中的材料產(chǎn)生變形，我們把它用作驅(qū)動(dòng)器;磁致伸縮逆效應(yīng)可以使變形后的材料發(fā)生產(chǎn)生磁場(chǎng)，我們可以把它用作傳感器;利用磁致伸縮正逆耦合的智能效應(yīng)，我們可以把它用作感知控制、驅(qū)動(dòng)性的材料器件。

1.3 形狀記憶型智能材料

某些材料，在高溫下發(fā)生一定的形變，在回溫的時(shí)候，回溫狀態(tài)下發(fā)生塑性形變，若再次加熱至高溫狀態(tài)，材料就會(huì)恢復(fù)到初始狀態(tài)，這種現(xiàn)象我們稱為形狀記憶效應(yīng)。形狀記憶型智能材料，就是具有一定初始物理形狀的材料，通過(guò)溫變、激光或電壓等的刺激，可以恢復(fù)成形變前的材料形狀。

1.4 智能型復(fù)合材料

由于自身的局限性，智能材料本身往往難以同時(shí)滿足驅(qū)動(dòng)、傳感和控制的“生物”功能。智能型復(fù)合材料可以克服其本身存在的局限性，更好地拓展智能材料的效能。20世紀(jì)80年代開(kāi)發(fā)出了一種多功能的復(fù)合材料，其對(duì)聲音具有一定的阻抗密度和壓力系數(shù)相對(duì)來(lái)說(shuō)較低，彌補(bǔ)壓電陶瓷材料易碎的弱點(diǎn)，保障壓電纖維復(fù)合材料施展效能。鐵磁復(fù)合材料也是智能復(fù)合材料的一種，其具有集合體電和鐵磁的特點(diǎn)，通過(guò)磁的相互轉(zhuǎn)化或者有磁電的相互轉(zhuǎn)化的方式，可以產(chǎn)生特殊的電磁轉(zhuǎn)化效應(yīng)。智能型復(fù)合材料的作用顯著，在磁場(chǎng)感應(yīng)器領(lǐng)域的應(yīng)用較為廣泛。

1.5 光纖智能材料

光纖智能材料，通?？梢灾谱鞒筛魇礁鳂勇袢胧降墓饫w材料傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)復(fù)合材料制造過(guò)程;監(jiān)測(cè)航空器結(jié)構(gòu)所處的狀態(tài);利用光纖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器可以對(duì)智能材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行感知和監(jiān)測(cè)。

2 ?智能材料結(jié)構(gòu)的研發(fā)概況

智能材料結(jié)構(gòu)是將控制器、驅(qū)動(dòng)器和傳感器進(jìn)行復(fù)合裝聯(lián)，目的是保證整個(gè)智能結(jié)構(gòu)具有感知和控制的功能，同時(shí)保證具有自我檢測(cè)、自我修復(fù)的作用。近幾年，研發(fā)人員已經(jīng)跨越基礎(chǔ)性的探索，智能材料的研究在基本原理、復(fù)合型智能材料匹配技術(shù)工藝、智能材料加工工藝技術(shù)、智能材料復(fù)雜環(huán)境下的可靠性評(píng)價(jià)、智能控制器件和效能器件等諸多方面進(jìn)入到預(yù)研和開(kāi)發(fā)階段。

2.1 自我檢測(cè)型智能結(jié)構(gòu)

自我檢測(cè)型智能結(jié)構(gòu)，根據(jù)自身結(jié)構(gòu)的狀況，可以實(shí)時(shí)感知自身動(dòng)態(tài)，從而制定應(yīng)對(duì)策略和自我維護(hù)。具有自我檢測(cè)功能的材料結(jié)構(gòu)通常采用復(fù)合智能型材料。例如超聲波智能材料通過(guò)自我檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)受損或疲勞的細(xì)小裂縫，自我監(jiān)測(cè)超聲波材料的受損或疲勞的程度，對(duì)于超聲波傳感器的運(yùn)行可靠性意義重大，及時(shí)的研發(fā)可以提高材料損傷的診斷。

2.2 自修復(fù)智能材料

飛行材料執(zhí)行任務(wù)的壽命具有一定的期限。維護(hù)和檢修的費(fèi)用非常高，高達(dá)整個(gè)制造材料的50%。飛行器在使用過(guò)程中由于復(fù)雜環(huán)境、高溫差和震蕩，都會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料疲勞、受損，存在一定的裂紋。同時(shí)如果異物進(jìn)入了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的間隙，就會(huì)降低復(fù)合材料的效能，影響材料的可靠性。目前，復(fù)合材料的損傷修復(fù)是一大難題，常用的修復(fù)方法并不是很理想。怎么解決材料內(nèi)部維修的難題，借鑒生物損傷自愈性的啟發(fā)，我們可以用于智能結(jié)構(gòu)的研究。

3 ?智能材料研究中存在的問(wèn)題和發(fā)展建議

智能材料是未來(lái)航空航天材料研究的熱點(diǎn)課題，發(fā)展和應(yīng)用前景非常廣闊。未來(lái)的研發(fā)中存在的問(wèn)題也很多，譬如智能材料實(shí)現(xiàn)復(fù)活化，排異性就會(huì)增大，同時(shí)，復(fù)合材料的加工技術(shù)工藝也面臨許多難題。如何提升材料的力學(xué)性能，如何應(yīng)對(duì)航天空航天領(lǐng)域的復(fù)雜環(huán)境，這些問(wèn)題都是智能材料研發(fā)過(guò)程中需要突破的難題。

智能材料是一種新型的科學(xué)應(yīng)用，在信號(hào)技術(shù)、傳感技術(shù)、驅(qū)動(dòng)技術(shù)、微電子技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域需要協(xié)作推進(jìn)，聯(lián)合攻關(guān)。但是難度也不是特別大，智能結(jié)構(gòu)對(duì)于降低噪音、實(shí)現(xiàn)自診斷、自修復(fù)等功能前景廣闊，對(duì)于保障飛行器安全性具有十分重要的意義。

航空航天飛行器執(zhí)行的都是復(fù)雜環(huán)境的任務(wù)。面對(duì)高溫、高壓和震蕩等復(fù)雜環(huán)境，在使用的過(guò)程中的可靠性尤為重要，而且智能材料的飛行器結(jié)構(gòu)在運(yùn)行過(guò)程中，信號(hào)處理的部分已經(jīng)非常成熟。但是智能系統(tǒng)還需要繼續(xù)不斷地研發(fā)，自我修復(fù)功能還處于研發(fā)過(guò)程的實(shí)驗(yàn)階段，需要繼續(xù)攻關(guān)。針對(duì)材料和飛行器整體的安全性能的問(wèn)題，建議未來(lái)智能材料的研究，以開(kāi)發(fā)新型的智能材料設(shè)計(jì)為突破口、研發(fā)新型的傳感器、控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)于復(fù)雜環(huán)境問(wèn)題的補(bǔ)償。

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