智能材料的研究現(xiàn)狀與未來發(fā)展趨勢

胡杰

【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、可塑性高、功能多樣化等優(yōu)點，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)功能性的不同對智能材料進(jìn)行了系統(tǒng)的分類與概述，然后對當(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國在航天航空領(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。近年來國內(nèi)外各國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、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、低成本化等方向上，本文著重對相關(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

2.1 智能復(fù)合材料在航天結(jié)構(gòu)檢測方向的應(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現(xiàn)對整個系統(tǒng)的實時監(jiān)控診測、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)合材料還可以實現(xiàn)對整個材料內(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反饋至中央處理器，這在一定程度上可以有效實現(xiàn)整個系統(tǒng)內(nèi)部的檢測與壽命預(yù)測，在這方面的技術(shù)上，美國的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整個飛船的殼體實現(xiàn)損傷檢測，其中主要根據(jù)檢測到的損傷前后信號的差異進(jìn)行歸一化處理，對反饋的信號進(jìn)行偵測辨認(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，可以有效實現(xiàn)對飛行器發(fā)射與返航過程中的實時壓力監(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自身的結(jié)構(gòu)影響，還會在高速飛行狀態(tài)下對飛行器表層產(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直接影響整個系統(tǒng)使用狀態(tài)的下降，并且會對系統(tǒng)的安全帶來極大的隱患。而且考慮到整個飛行器的開發(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)合材料實現(xiàn)整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性是一個重大的發(fā)展方向。傳統(tǒng)的修復(fù)手段主要是對出現(xiàn)損傷的部分實現(xiàn)機械修復(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現(xiàn)修復(fù)，因此使用復(fù)合材料實現(xiàn)飛行器內(nèi)部精密器件的自我愈合具有著重要的意義。

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，不會對結(jié)構(gòu)本體產(chǎn)生較為劇烈的振動影響，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從而最終為航天飛行器的運載穩(wěn)定性提供了有效的保障。

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，在美國這方面的研究已經(jīng)有了顯著的進(jìn)展，而國內(nèi)的的這方面研究也由哈爾濱工業(yè)大學(xué)等軍工院校實現(xiàn)突破性的研發(fā)進(jìn)展，目前地面試驗已經(jīng)基本完成，并且朝著下一步快速發(fā)展。

4. 智能復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用

4.1 軍工軍機領(lǐng)域的智能復(fù)合材料的應(yīng)用

目前以美國為首的西方國家的四代戰(zhàn)機已經(jīng)研發(fā)成熟，我國的四代戰(zhàn)機也在深度耕耘著，在四代戰(zhàn)機中，戰(zhàn)機自身的穩(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)前國內(nèi)外新一代的戰(zhàn)機機身普遍開始普及復(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，機身質(zhì)量的減輕很大程度上提高了戰(zhàn)機的續(xù)航能力，保證了遠(yuǎn)程目標(biāo)打擊實現(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)機作戰(zhàn)過程中自身的隱蔽性，為戰(zhàn)機的安全帶來了保障。

在軍機中常用到的智能復(fù)合材料例如當(dāng)前使用較為普及的碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料，此前該材料通常使用在軍機的輔助結(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，在軍機的一些主要零部件以及主要機身部位開始逐漸采用碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料來提升軍用飛機的抗腐蝕性和它自身的抗疲勞性，最終實現(xiàn)減輕整體機身的重量，提升飛行的高效性的作用。

4.2 民航民機領(lǐng)域的智能復(fù)合材料的應(yīng)用

智能復(fù)合材料在民航客機中的應(yīng)用和軍機的使用不盡相同，主要是因為它們自身所履行的智能準(zhǔn)則不同，民航客機以載客作為自身主要運載職能，對于安全性、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)用在民航客機后給乘客所帶來的自身體驗感很大程度上會制約智能復(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)用在民航客機上的各方面參數(shù)也并不多數(shù)，據(jù)了解，民航客機上智能復(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)合材料和機身內(nèi)部的復(fù)合材料，這兩家公司在機身內(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)是目前商用客機中智能復(fù)合材料占比最高的案例。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉立武，趙偉，蘭鑫，劉彥菊，冷勁松. 智能軟聚合物及其航空航天領(lǐng)域應(yīng)用[J]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2016，（05）：1-17.

[2]胡亦安. 航空航天復(fù)合材料發(fā)展現(xiàn)狀及前景探究[J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2016，（34）：68.