智能材料的研究現狀與未來發展趨勢

鄧煥

摘 要： 智能材料這一概念在上世紀80年代首次被提出，近年來，關于智能材料在航空航天領域的研究與應用被頻繁提及。由于智能材料具備著結構整體性強、可塑性高、功能多樣化等優點，因此在航空航天領域得到了廣泛的研究與使用，首先根據功能性的不同對智能材料進行了系統的分類與概述，然后對當前智能材料在航空航天領域的主要應用進行了系統性的分析與總結，最后對智能材料在未來的航空航天的應用前景中進行了進一步地展望。

關鍵詞： 智能材料；復合材料；航空航天；功能多樣化

1 引言

進入二十一世紀以來，全球各大航空航天強國在航天航空領域投入了大量的研發資金，而作為航空航天領域重要環節的航天材料，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域的應用。在智能材料的范疇中，智能復合材料最具有代表性，智能復合材料主要具備著：外界環境感知功能；判斷決策功能；自我反饋功能；執行功能等。此外，由于當前智能復合材料都向著輕量化、低成本化的方向發展，因此在航天領域復合材料的設計結構以及使用用途上都有著不同的側重發展方向。而近年來國內外各國也均加快了各自在該領域的研發使用發展進度，主要的研究大方向還是集中在了智能檢測、結構穩定性、低成本化等方向上，本文著重對相關部分進行系統性的概述與總結。

2 航空航天領域智能復合材料的功能介紹

在航空航天領域中，國內外普遍利用智能復合材料以實現在降低航空航天飛行器的自身重量的前提下保證系統結構的穩定性，其次根據復合智能材料具備智能檢測自身系統內部工作狀態和自愈合等功能實現航空航天材料在微電子與智能應用方向的交叉發展。

2.1 智能復合材料在航天結構檢測方向的應用

智能復合材料在航空航天器中的應用，主要是通過將傳感器以嵌入的方式與原始預浸料鋪層以及濕片鋪層等智能復合材料緊密鍵合，最終集成在控制芯片控制器上實現對整個系統的實時監控診測、自我修復等供能，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，復合材料在很大程度上可以有效承受比傳統應用材料更大外界機械壓力[1]。

除此之外，由于智能復合材料作為傳感器的鋪放襯底，因此智能復合材料還可以實現對整個材料內部結構的狀況進行收集并且將出現的諸如溫度異常、結構異常、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整個系統內部的檢測與壽命預測，在這方面的技術上，美國的Acellent公司研發的纏繞型復合材料以壓力感應的形式，按照矩形布線形式對整個飛船的殼體實現損傷檢測，其中主要根據檢測到的損傷前后信號的差異進行歸一化處理，對反饋的信號進行偵測辨認，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的傳感器與復合材料黏貼于飛行器的外部元器件表層，可以有效實現對飛行器發射與返航過程中的實時壓力監控與溫度過載監控，從而有效獲得飛行器的剩余壽命期限[2]。

2.2 智能復合材料在航空自愈能力方向的應用

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構影響，還會在高速飛行狀態下對飛行器表層產生細微的微觀損傷，這些細節部分的損傷往往不容易發現，但是這些損傷的積累將會直接影響整個系統使用狀態的下降，并且會對系統的安全帶來極大的隱患。而且考慮到整個飛行器的開發投入成本較大，保障其使用壽命首當其沖，因此采用具備著自愈合能力的智能復合材料實現整個系統的穩定性和可靠性是一個重大的發展方向。傳統的修復手段主要是對出現損傷的部分實現機械修復，但是宏觀層面的修復該種方法尚可維持，但是往往飛行器內部的微觀損傷很難通過該種方法實現修復，因此使用復合材料實現飛行器內部精密器件的自我愈合具有著重要的意義。而關于具備著自我愈合功能的復合材料的自我愈合方式主要有原位自修復和埋植式自修復兩種，關于原位自修復，它主要是材料本身就具備自修復功能，直接可以對自身內部與外部損傷部位實現系統性的修復；而關于埋植式修復，則是模仿了生物系統修復能力的一種修復能力對自身損傷部分進行指定性修復，這種修復手段的好處在于可以根據壓力和溫度的指標將自身分散的一種修復劑流入相關損失部位與表面催化劑發生聚合反應實現表面裂紋修復和內部損傷修復的雙重功效[3]。

2.3 形狀記憶復合材料的航天領域應用

形狀記憶復合材料具備著優異的形狀記憶回復能力，而且其展開過程較為平緩，不會對結構本體產生較為劇烈的振動影響，保證了系統的穩定性，從而最終為航天飛行器的運載穩定性提供了有效的保障。

關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構、桁架式空間可伸展機構和充氣式空間可展開機構.在航天器中，傳統折疊式空間展開與結構鎖定都是通過鉸鏈實現的，但是記憶復合材料的介入可以實現更為智能化的代替。

常見的空間展開結構還有：套筒式空間可伸展機構一般通過螺旋傳動系統傳動，一般在高功率運載條件下，滾動螺旋傳動的工作方式可以有效實現帆板展開之后具備著較好的自身剛度強度。桁架式空間可伸展機構一般可分為兩類，即構架式空間可伸展機構和桁架式天線可展開機構.其中構架式空間可展開機構又可分為兩類： 壓盤桿展開機構和鉸鏈桿展開機構. 壓盤桿展開機構用彈性桿件，以周向盤旋方式進行收攏[4]。

所謂記憶性復合材料在空間伸展結構中的應用，主要是指的記憶復合材料制作而成的鉸鏈，這些鉸鏈主要應用于太陽能電池帆板展開過程中，更加有效地實現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有了顯著的進展，而國內的的這方面研究也由哈爾濱工業大學等軍工院校實現突破性的研發進展，目前地面試驗已經基本完成，并且朝著下一步快速發展[5]。

3. 智能復合材料在航空領域的應用

3.1 軍工軍機領域的智能復合材料的應用

目前以美國為首的西方國家的四代戰機已經研發成熟，我國的四代戰機也在深度耕耘著，在四代戰機中，戰機自身的穩定性與隱身性能是主要的研發方向，這里面離不開智能復合材料的應用。當前國內外新一代的戰機機身普遍開始普及復合材料的使用，主要是利用了智能復合材料的結構輕便并且具備隱形特性的優點，機身質量的減輕很大程度上提高了戰機的續航能力，保證了遠程目標打擊實現的可能性，而復合材料提供的隱身特性則可以進一步保證戰機作戰過程中自身的隱蔽性，為戰機的安全帶來了保障。

在軍機中常用到的智能復合材料例如當前使用較為普及的碳纖維增強樹脂基復合材料，此前該材料通常使用在軍機的輔助結構部件上面，但是隨著近年來這方面的技術手段進一步提升，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，最終實現減輕整體機身的重量，提升飛行的高效性的作用。以國外的比較先進的四代戰機F22為例， 因為其自身巡航過程中超音速巡航時長存在，在這一過程中，高速飛行帶來的飛機表層空氣劇烈摩擦聚熱現象嚴重，普通材料在這一條件下因為不能承受高溫甚至會帶來起火的隱患，因此采用智能復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 民航民機領域的智能復合材料的應用

智能復合材料在民航客機中的應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、穩定性有著更高的要求，因此智能復合材料應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合材料的應用。并且當前關于智能復合材料應用在民航客機上的各方面參數也并不多數，據了解，民航客機上智能復合材料的應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構型智能復合材料和機身內部的復合材料，這兩家公司在機身內部的復合材料的使用占比最高目前可達52%，這已經是目前商用客機中智能復合材料占比最高的案例。

4智能材料在航空航天領域的未來發展前景

在當今環球的大環境中，航空航天的快速發展離不開復合材料的不斷創新與應用，而智能復合材料由于兼具智能感知、自我判斷、自動執行指令以及結構性能穩定和隱身等特性，具有著非常廣闊的應用空間和前景，隨著空間技術的進步，各空間大國均已進行了大量研究和開發，部分技術已接近實用階段。在航天航空領域，近幾十年我國逐漸加入航空航天大國的隊列，但是與國際美國俄羅斯這些國家的相關技術仍然有著較大的差距，如何在接下來奮起直追實現彎道超車，尋找新技術的突破口，智能復合材料的研究不失為一個重要的方向。

5結論

隨著航空航天領域在當今全球環境中的迅速發展，各國針對這一領域的突破口都主要集中在了智能材料的研發上，本文針對航空航天兩個領域中智能復合材料的應用展開了系統性的概述與總結，分析了具備著外界環境感知功能、判斷決策功能、自我反饋功能、執行功能等一類先進的智能復合材料的研究與使用進展，隨著這些智能復合材料具備著成本較低、結構性更加穩定等優點，無論是未來的航天領域還是軍用民用大飛機的發展上都會有著廣泛的應用前景。

參考文獻

[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域應用[J]. 哈爾濱工業大學學報，2016，（05）：1-17.

[2] 胡亦安. 航空航天復合材料發展現狀及前景探究[J]. 科技創新與應用，2016，（34）：68.

[3] 湯旭，李征，孫程陽.先進復合材料在航空航天領域的應用[J].中國高新技術企業，2016（06）：13-15.

[4] 冷勁松，孫健，劉彥菊.智能材料和結構在變體飛行器上的應用現狀與前景展望[J]. 航空學報，2014，35（1） ： 1-15.

[5] 劉強.碳纖維復合材料在航空航天領域的應用[J].科技與企業，2015，（22）.

[6] 唐見茂.航空航天復合材料發展現狀及前景[J].航天器環境工程，2011（09）：3-5.