智能復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用研究

李博 張爽

摘要：本文詳細(xì)闡述了智能復(fù)合材料的主要分類，包括壓電復(fù)合材料、形狀記憶復(fù)合材料和自愈合復(fù)合材料及其國(guó)內(nèi)外的研究進(jìn)展，同時(shí)介紹了智能復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用研究。最后，指出了智能復(fù)合材料研究當(dāng)前所面臨的一些挑戰(zhàn)性問題及其研究成果對(duì)航空領(lǐng)域的重要意義。

關(guān)鍵詞：智能復(fù)合材料;壓電復(fù)合材料;形狀記憶復(fù)合材料;自愈合復(fù)合材料;航空

過去在復(fù)合材料應(yīng)用中基本全是結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，目前這一情況正隨著功能復(fù)合材料的出現(xiàn)而被改變，功能復(fù)合材料正在向多功能復(fù)合材料方向發(fā)展，使材料不僅是一種結(jié)構(gòu)而且還具有功能或多種綜合功能[1]。未來(lái)也必將由多功能復(fù)合材料向智能復(fù)合材料的方向發(fā)展。

1 智能復(fù)合材料主要分類

智能復(fù)合材料通常是通過在成型過程中，將傳感材料和致動(dòng)材料緊密地與復(fù)合材料相融合，使得材料具有可以通過自我診斷得出結(jié)論，并自主執(zhí)行相應(yīng)指令的能力。智能復(fù)合材料主要可分為壓電復(fù)合材料、形狀記憶復(fù)合材料和自愈合復(fù)合材料三類。

1.1 ?壓電復(fù)合材料

壓電復(fù)合材料是21世紀(jì)70年代出現(xiàn)的一種多用途功能復(fù)合材料。與傳統(tǒng)壓電陶瓷相比，壓電復(fù)合材料雖然在聲阻抗、密度、壓電常數(shù)方面存在劣勢(shì)，但其機(jī)電耦合系數(shù)卻出現(xiàn)大幅提高，且極大改善了壓電陶瓷易脆的缺點(diǎn)。目前壓電復(fù)合材料的研究重點(diǎn)是壓電纖維復(fù)合材料，主要分為以下3種：1-3型壓電纖維復(fù)合材料、AFC（Active Fiber Composite）和MFC（Macro Fiber Composite）。

1.2 ?形狀記憶復(fù)合材料

形狀記憶復(fù)合材料具備形狀記憶功能，優(yōu)點(diǎn)是可恢復(fù)應(yīng)變大、低密度、高比強(qiáng)度和比剛度等。形狀記憶復(fù)合材料是基于內(nèi)部分子間的相互作用即聚合物材料中分子鏈的取向與分布，而非馬氏體相變實(shí)現(xiàn)的。形狀記憶復(fù)合材料可以采用常規(guī)的復(fù)合材料工藝制造，固化成型后的力學(xué)性能與普通高性能復(fù)合材料相當(dāng)，當(dāng)溫度高于其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，材料出現(xiàn)低模量和高破壞應(yīng)變性能，可根據(jù)設(shè)計(jì)要求卷曲折疊，當(dāng)溫度低于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度后材料形狀保持不變。當(dāng)溫度再次高于其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，由于材料的聚合物基體具有記憶功能，材料再次恢復(fù)至首次成型時(shí)的形狀，該過程無(wú)需施加任何外力，可反復(fù)進(jìn)行，對(duì)材料性能無(wú)影響。

從20世紀(jì)90年代后期開始，國(guó)外研究學(xué)者對(duì)形狀記憶復(fù)合材料進(jìn)行大量研究，目前取得了諸如柔性可展太陽(yáng)翼、天線柔性反射面、可變形機(jī)翼等應(yīng)用進(jìn)展[2-4]。國(guó)內(nèi)哈爾濱工業(yè)大學(xué)選用Veriflex作為基體材料、T300碳纖維織物作為增強(qiáng)基材料，研制出形狀記憶鉸鏈（SMPC），該材料避免傳統(tǒng)的形狀記憶聚合物強(qiáng)度性能低，容易出現(xiàn)纖維疲勞的缺點(diǎn)，材料可獲得高應(yīng)變性能，試驗(yàn)表明SMPC的可展開結(jié)構(gòu)性能良好[5]。

1.3 ?自愈合復(fù)合材料

航空領(lǐng)域非常關(guān)注材料的耐損傷性。在外界應(yīng)力等環(huán)境因素的影響下，材料無(wú)法避免會(huì)出現(xiàn)裂紋等損傷情形，損傷會(huì)造成材料性能下降，直至材料失效。通過機(jī)械連接、膠接等傳統(tǒng)修理方法僅能修復(fù)可見的裂紋損傷，對(duì)于材料內(nèi)部的微觀損傷無(wú)法進(jìn)行修復(fù)，因此需要研究能夠提高復(fù)合材料整體性能并且安全可靠的修理方法。

自愈合復(fù)合材料能夠主動(dòng)修復(fù)未被檢測(cè)到的微小損傷，避免破壞結(jié)構(gòu)完整性的現(xiàn)象發(fā)生。目前，自愈合復(fù)合材料主要分為三維脈管網(wǎng)絡(luò)、微膠囊和中空纖維自愈合復(fù)合材料三類。

1.3.1 ?三維脈管網(wǎng)絡(luò)自愈合復(fù)合材料

三維脈管網(wǎng)絡(luò)自愈合復(fù)合材料的自愈合方式是通過當(dāng)材料受到擠壓或損壞時(shí)材料內(nèi)部能夠釋放修復(fù)劑，對(duì)受損處的微小裂縫進(jìn)行修復(fù)。應(yīng)用該材料技術(shù)的航空器能夠通過修復(fù)劑的釋放自動(dòng)修復(fù)飛行過程中出現(xiàn)的各類輕微損傷。

2014年位于美國(guó)伊利諾伊大學(xué)厄巴納-尚佩恩分校的研究團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)出一種具有三維脈管網(wǎng)絡(luò)的自愈合材料，復(fù)合材料在使用過程中出現(xiàn)的分層以及細(xì)微裂紋的問題有望得到解決[6]。

1.3.2 ?微膠囊自愈合復(fù)合材料

2001年關(guān)于微膠囊自愈合復(fù)合材料的信息被首次發(fā)表在《Nature》雜志上。微膠囊自愈合技術(shù)是通過在基體材料中植入催化劑和含有愈合劑的微膠囊，當(dāng)基體材料出現(xiàn)微裂紋時(shí)微膠囊破裂，通過毛細(xì)管虹吸作用，膠囊內(nèi)的愈合劑進(jìn)入裂紋面與分散在基體中的催化劑產(chǎn)生聚合從而對(duì)裂紋進(jìn)行修復(fù)[7]。航空領(lǐng)域中應(yīng)用的該類微膠囊需要具備密封性以及熱穩(wěn)定性良好等特點(diǎn)。

1.3.3 ?中空纖維自愈合復(fù)合材料

中空纖維自愈合方法是歐洲太空總署提出的概念，其修復(fù)機(jī)理是在基體材料中埋植含有類似粘合劑的未固化樹脂和固化劑流體的中空纖維，當(dāng)材料受到低沖擊載荷損傷時(shí)，中空纖維內(nèi)的修復(fù)劑流體被釋放，對(duì)裂紋進(jìn)行粘接使損傷區(qū)域自愈合[8]。

中空纖維自愈合技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是含有的修復(fù)劑含量足夠?qū)p傷進(jìn)行修復(fù)，在不同固化機(jī)制的樹脂中均可填充，中空纖維容易和傳統(tǒng)的增強(qiáng)纖維進(jìn)行混合和調(diào)整;目前存在的缺點(diǎn)是必須通過纖維的斷裂才能釋放修復(fù)劑，必須填充低黏度的樹脂才能浸潤(rùn)基體，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中由于添加中空纖維導(dǎo)致熱膨脹系數(shù)的不匹配，生產(chǎn)制造過程較為復(fù)雜。

目前，利用自愈合技術(shù)修復(fù)復(fù)合材料沖擊損傷的方法已經(jīng)得到了一些應(yīng)用。Trask等人分別將樹脂和固化劑填充于中空心纖維植入復(fù)合材料中，通過模擬沖擊損傷試驗(yàn)，復(fù)合材料的損傷區(qū)域能夠獲得自愈合修復(fù)[9]。楊紅等人在復(fù)合材料中植入灌注有修復(fù)劑膠液的液芯光纖，制備出兼具自診斷和自修復(fù)功能的智能復(fù)合材料，最終通過試驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，自修復(fù)后材料的拉伸性能可以恢復(fù)至初始值的1/3，壓縮性能可以恢復(fù)至初始值的2/3以上[10]。

自愈合復(fù)合材料使得材料自身對(duì)內(nèi)部或者外部損傷能夠進(jìn)行自修復(fù)或自愈合，從而消除隱患，延長(zhǎng)材料的使用壽命，其在軍工、航空航天等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。

2 智能復(fù)合材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1 ?智能旋翼

旋翼是直升機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)飛行并同其它航空器進(jìn)行區(qū)別的主要部件，目前智能復(fù)合材料在直升機(jī)領(lǐng)域中應(yīng)用的最重要方向是智能旋翼。國(guó)外在智能旋翼方面的研究主要有槳葉主動(dòng)襟翼/后緣揮舞控制、槳葉主動(dòng)扭轉(zhuǎn)、智能槳尖控制等技術(shù)。例如，通過在槳葉中植入壓電材料，利用它對(duì)電壓的響應(yīng)迅速特征，槳葉扭轉(zhuǎn)形狀可獲得周期性改變，以及通過驅(qū)動(dòng)襟翼運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)施對(duì)槳葉的操控，從而替代傳統(tǒng)的鉸鏈、拉桿等機(jī)械結(jié)構(gòu)。

美國(guó)奧本大學(xué)[11]研究開發(fā)出一種具備主動(dòng)控制的自適應(yīng)直升機(jī)旋翼，該旋翼可通過安裝在槳根上、下表面的壓電材料板的變形來(lái)改變旋翼的槳矩。試驗(yàn)表明，該旋翼槳葉的變矩可達(dá)到從-4°至+12°，與鉸接式旋翼相比，直升機(jī)機(jī)動(dòng)性可提高15%-30%，并且可以簡(jiǎn)潔、迅速地進(jìn)行操作;與無(wú)軸承式旋翼相比，采用這種主動(dòng)控制技術(shù)的旋翼可使雷達(dá)反射截面被有效減少，獲得更佳的隱身性能;風(fēng)洞試驗(yàn)表明，直升機(jī)的阻力及功率損耗被有效降低。再如，通過在槳葉大梁中植入形狀記憶合金的驅(qū)動(dòng)裝置，可明顯降低槳葉根部至槳尖的扭矩，直升機(jī)的懸停效率得到明顯改善。利用上述技術(shù)可以使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得到簡(jiǎn)化，極大提高旋翼的效能，獲得質(zhì)量更輕、操作更簡(jiǎn)單、氣動(dòng)效果更優(yōu)異的旋翼，直升機(jī)的飛行品質(zhì)及操縱品質(zhì)能夠得到極大地提高。

2.2 ?自適應(yīng)機(jī)翼

使用智能復(fù)合材料制造的自適應(yīng)飛機(jī)機(jī)翼，能夠根據(jù)感知的外界環(huán)境變化，主動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)翼產(chǎn)生彎曲、扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象并且可以改變翼型，獲得最佳的氣動(dòng)特性。該技術(shù)可以大大減輕結(jié)構(gòu)重量，提高響應(yīng)速度和減小轉(zhuǎn)彎半徑，以及獲得雷達(dá)散射截面減少，增大升阻比等優(yōu)點(diǎn)。

美國(guó)通過在復(fù)合材料中應(yīng)用形狀記憶合金，研發(fā)出了夾芯結(jié)構(gòu)樹脂基復(fù)合材料的“柔性機(jī)翼”，該機(jī)翼可在各種飛行速度下自動(dòng)保持最佳翼型，飛行效率得到提高，并且還能自行抑制出現(xiàn)的危險(xiǎn)振動(dòng)[12]。

2.3 ?變彎度機(jī)翼

哈爾濱工業(yè)大學(xué)在變后緣彎度機(jī)翼上設(shè)計(jì)應(yīng)用形狀記憶復(fù)合材料蒙皮，通過在蒙皮中預(yù)埋金屬?gòu)椈山z，當(dāng)金屬絲通電時(shí)，形狀記憶復(fù)合材料被加熱，當(dāng)溫度升高超過其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)翼后緣變形;當(dāng)降低溫度時(shí)，蒙皮剛度重新得到增大，能夠滿足承受氣動(dòng)載荷要求，通過將光纖光柵傳感器貼于中心金屬板上表面，測(cè)量應(yīng)變情況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)翼后緣變形參數(shù)，風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)表明，通過后緣彎度的變化，升力系數(shù)和升阻比均獲得有效提高[13]。同時(shí)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)還提出使用氨綸纖維可以讓材料性能得到提升，為形狀記憶復(fù)合材料的進(jìn)一步應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

3 智能復(fù)合材料研究存在的問題

智能復(fù)合材料是目前航空材料研究的一個(gè)熱點(diǎn)分支，它能夠克服材料自身的局限性，獲得更優(yōu)異的材料性能，具有巨大的發(fā)展和應(yīng)用前景，但目前對(duì)其研究還存在著諸多問題。

壓電復(fù)合材料雖然能夠克服常用的壓電材料如壓電陶瓷脆性大、密度高，壓電薄膜使用溫度低、壓電性能不佳等缺點(diǎn)，但對(duì)于如何改善壓電復(fù)合材料的加工性能、材料性能等問題還需要進(jìn)一步研究;形狀記憶復(fù)合材料的變形能力與疲勞測(cè)試體系依然需要更加深入的研究探索;對(duì)于如何提高自愈合復(fù)合材料的可靠性以及工程實(shí)際應(yīng)用方面仍需進(jìn)一步的研究與試驗(yàn)驗(yàn)證，同時(shí)需要加大自愈合復(fù)合材料在高溫下應(yīng)用的研究。

另外，材料復(fù)合化的相容性問題、結(jié)構(gòu)的微型化問題以及提高材料的力學(xué)性能問題都是亟待解決的，這些問題都制約了目前智能復(fù)合材料在航空領(lǐng)域中的大規(guī)模應(yīng)用。

4 結(jié)束語(yǔ)

武器裝備升級(jí)的基礎(chǔ)是材料科學(xué)的提升，而先進(jìn)材料的研發(fā)應(yīng)用更是目前世界各國(guó)的研究熱點(diǎn)。智能復(fù)合材料同時(shí)具有結(jié)構(gòu)材料和功能材料的雙重特性，雖然目前該技術(shù)更多的是處于實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)研究階段，但未來(lái)智能復(fù)合材料的應(yīng)用發(fā)展必將極大的影響飛行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案并使飛行器的飛行性能得到極大提升，對(duì)推動(dòng)發(fā)展航空技術(shù)具有重大意義。

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