航空航天智能材料與智能結構探究及進展

戴江浩

摘 要：智能材料是一種新型的多功能材料，可以幫助材料實現結構的功能化和多樣化，智能結構在整個結構形成過程中集成智能材料，作為傳感器和驅動器，保證整個結構具有連接、感知、自診斷、自修復的功能，更好地可以適應外界的環境和變化，提升整個航空航天架構的性能。就當前智能材料和智能結構已經變成了航空航天架構研究的重點，根據國內外研究的主要進展，通過對智能結構的研究及應用前景進行分析，了解關于智能材料和結構所面臨挑戰的問題。

關鍵詞：智能材料 智能結構 問題

中圖分類號：V259 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2018）01（c）-0016-02

智能材料本身是具有感知驅動控制功能的智能化的材料，智能材料代表的是材料科學中最為活躍的一方面。智能材料結構在航空領域上具有最典型的功能實現，最早開展智能材料研究的就是航空領域。航空科技的不斷發展，使得材料的結構也不斷提升，智能材料在航空飛行器上的應用主要是有自適應機翼震動噪、聲控制和健康結構檢測等。本文主要是根據上述材料發展的背景從智能材料的研究和基本性質使用案例等方面對于智能材料進行一定的探究，總結現代航空航天智能材料結構的研究中存在的問題，并且對于航空航天智能材料和結構未來發展的趨勢進行一定的探討。

1 智能材料的研究及進展概述

20世紀80年代人們提出了關于智能材料的概念，它是根據工作時期發揮的作用不同，可以分為兩個類別：一種是可以被感知的材料，就是可以感知外界刺激的智能材料。比方說壓電材料、形狀記憶材料、鐵磁材料；另一種是可以根據外部環境或者外部的狀態而產生的材料，通常被作為執行器。

1.1 壓電材料

壓電材料是基本的機械能向電能不斷轉化的一種智能型的材料.壓電材料具有大帶寬的信號，而且它具有高能量的轉化器，被用于傳感驅動和振動控制。而且壓電材料還可以承受相應的高溫環境，比方說壓電材料可以保證效應的機械能和電能可以相互轉化。利用壓電材料的合外力作用下產生的電荷相遇，通常就會被置成智能材料，利用壓電材料的逆壓電效應，即使在外電場的作用下，材料也會產生變形，而形成一種效應，可以用作驅動性的材料。

1.2 鐵磁材料

鐵磁材料在運用過程中，可以保證機械能向磁能不斷轉化的智能材料。鐵磁材料在磁場的作用下會產生變形，這種現象我們通常叫做磁致伸縮反應。利用磁致伸縮正效應使得磁場作用的材料發生一定的變形，把它當作一定的驅動器，利用磁致伸縮逆效應可以導致材料發生變形后產生一定的磁場，加強傳感器的作用。利用磁致伸縮正逆耦合的效應可以保證驅動力測試和輸入力量，感知控制為一體的驅動性的材料器件。

1.3 形狀記憶材料

形狀記憶材料是具有一定初始材料形成，并且固定形成一定形狀，通過光熱電的物理材料的刺激，可以恢復成一種形狀，具有一定的形狀記憶材料。在20世紀80年代，被廣泛運用在航空航天領域，而且形狀記憶材料的新型智能變形飛行器的發展，也是飛行器智能化發展的一大突破口。

1.4 智能復合材料

智能材料本身具有自身的局限性，智能復合材料可以克服智能材料本身存在的局限性，更好地加大智能材料的發揮。20世紀70年代發展出來的一種多功能的復合材料，在發展過程中對聲音具有一定的阻抗密度和壓力系數相對來說較低，它可以改善壓電陶瓷易碎的弱點，而且可以保證壓電纖維復合材料更好地發揮它的功效。智能復合材料中還有一種是鐵磁復合材料，它作為一種集合體電和鐵磁的特點，具有磁的相互轉化的功能，并且還有磁電相互轉化的方式產生特殊的磁電效應。復合材料運用的功能較為獨特，在磁場感應器領域的應用較為廣泛，20世紀40年代有學者對于材料進行一定的研究，20世紀90年代開始國外學者開始研究了一種新型的復合材料，并且取得了一定的成果。

2 智能結構研究的應用概括

智能結構是將機體傳感器驅動器和控制原件進行復合組裝，不僅能保證整個結構具有傳載和傳承的功能，還能保證具有自診斷自修復的功能。當前智能材料的研究經歷了以下兩個階段：首先是在傳感器集成的材料中保證結構具有一定的自診斷功能，可以對于結構自身進行一定探究，檢測它的結構的完整性，其次可以修復自身的狀態，具有自修復的功能，對于智能材料的修復難度較大，還處于實驗階段，研究相對來說較少。

2.1 自診斷智能結構

自診斷智能結構可以時刻掌握結構的性能，針對結構的特點，而制定相應的策略，實現狀態的維護。對于保障結構質量安全運行具有一定的意義，因此針對航空航天結構發展的特點，自診斷功能的智能結構在發展過程中會采用相應的復合材料。比方說超聲波自診斷智能材料就是對于細小裂縫的損傷十分敏感，可以監測材料的疲勞裂紋和損傷程度，對于整個傳感器的布置和監控以及結構的提取具有一定的均勻性，而且導播對于環境的變化影響也非常敏感，適當的開發可以進行材料損傷的診斷。

2.2 自修復智能材料

復合材料在航空航天領域應用非常廣泛，飛行材料使用的壽命具有一定的期限。維修費用非常高，高達整個制造材料的50%。而且復合材料本身的結構決定了它具有抗沖擊性、損傷性較差的特點。而且飛行器在使用過程中由于天氣不利影響和石頭、巖石偶然碰撞，都會導致復合材料的完整性被破壞，存在一定的裂紋。而另一方面如果污染物進入了復合材料結構的通道，就會降低材料承載的能力，影響材料的壽命，復合材料的損傷難以修復，而且修復過程非常困難。常用的修復方式并不是很理想，為了解決材料內部維修難的問題，受到生物損傷自愈性的啟發，可以用于智能結構的研究。

3 智能材料和智能結構研究存在的問題和展望

智能材料是目前航空航天材料研究過程中的熱點，集物理、化學、材料、機械等眾多領域的研究，發展非常廣泛。但是還存在一定的問題，比方說材料復活化，相融性就會變得小，而且在加工過程中也會產生一定的問題。材料力學性能的提升以及在航天空航天在的環境問題，這些問題都是制約了智能材料發展的原因。

智能材料本身就是納米化薄膜和復活化，可以幫助智能材料更好地發展。此外壓電材料、鐵磁材料的環境下使用的問題，發展形狀記憶材料可以提高自愈材料的穩定性，這些材料都可以保證材料更好地發展，同時對于未來的研究也非常重要。

智能材料是一種新型的科學應用，涉及到的傳感技術、微電子技術、驅動技術、信號技術等多個領域展開的研究范圍非常廣。但是難度也不是特別大，智能結構對于自診斷、自修復和降低噪音等能力很強，對于航天航空的結構安全性具有一定的意義。

航空航天結構所需要的智能結構通常情況下在使用的范圍都是復雜的環境。比如說高溫、高壓和震動的環境，面對復雜的環境在使用的過程中會容易發生失效，而且結構在開展過程中，信號處理的部分已經非常成熟。但是智能系統還需要不斷地發展，自修復系統結構還停留在實驗性階段，還需要繼續研發，才能保證飛機在飛行時可以降低噪聲和振動，保證飛行器的安全。針對環境變化，材料和結構的安全性的問題，未來智能材料結構的研究應該不斷開發新型的材料設計、新型的傳感器實現對于環境問題的補償。

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