智能材料結(jié)構(gòu)在航空領(lǐng)域中的應(yīng)用

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1、智能材料結(jié)構(gòu)在航空領(lǐng)域中的應(yīng)用將具有仿生命功能的材料融合于基體材料中，使制成的構(gòu)件具有人們期望的智能功能，這種結(jié)構(gòu)稱為智能材料結(jié)構(gòu)。智能材料結(jié)構(gòu)的核心思想是將傳感元件和驅(qū)動(dòng)元件、微電子處理控制芯片與主體結(jié)構(gòu)材料集成為一個(gè)整體，通過機(jī)械、熱、光、化學(xué)、電、磁等作用，提取結(jié)構(gòu)信息，經(jīng)過處理后形成控制激勵(lì)，改變結(jié)構(gòu)的形狀、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、受力狀態(tài)等。這使得結(jié)構(gòu)不僅具有承受載荷的能力，還具有識(shí)別、分析、處理及控制等多種功能，并能進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸和多種參數(shù)的檢測(cè)，包括應(yīng)變、損傷、溫度、壓力、聲音、光波等；而且具有主動(dòng)改變材料中的應(yīng)力分布、強(qiáng)度、剛度、形狀、電磁

2、場(chǎng)、光學(xué)性能等多種功能；從而使結(jié)構(gòu)材料本身具有自診斷、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)、自修復(fù)、自增殖、自衰減等能力。智能材料結(jié)構(gòu)在航空領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，智能蒙皮、自適應(yīng)機(jī)翼、振動(dòng)噪聲控制和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)是智能材料結(jié)構(gòu)在飛行器上的典型應(yīng)用。功能材料與器件在智能材料結(jié)構(gòu)中，功能材料（器件）占有非常重要的地位，是智能材料結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。功能材料（器件）主要包括傳感材料（器件）和驅(qū)動(dòng)材料（器件）2部分。1傳感材料（器件）用作傳感材料（器件）的主要有光纖、壓電材料、電阻應(yīng)變絲、碳纖維等。光纖傳感器的基本原理是將光源的光輸入光纖，并經(jīng)光纖傳輸至調(diào)制區(qū)，在調(diào)制區(qū)內(nèi)，外

3、界被測(cè)參數(shù)（如溫度、應(yīng)力等）與進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光相互作用，使光的光學(xué)性質(zhì)，如強(qiáng)度、波長、頻率、相位等參數(shù)發(fā)生變化，形成被調(diào)制的信號(hào)光，再經(jīng)光纖送入光探測(cè)器、解調(diào)器從而獲得被測(cè)參數(shù)。使用光纖傳感器，可以實(shí)時(shí)地測(cè)量機(jī)體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變、溫度等物理量。光纖傳感器體積小，易于和基體結(jié)構(gòu)集成，抗電磁干擾性強(qiáng)、測(cè)量精度高、頻率響應(yīng)高，是智能材料結(jié)構(gòu)較早采用的傳感元件之一。但是光纖傳感器抗剪能力差，設(shè)備體積大，成本高。壓電材料具有直接的機(jī)電轉(zhuǎn)換性能，既可以用作傳感元件，也可以用作驅(qū)動(dòng)元件，在智能材料結(jié)構(gòu)領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。壓電傳感元件主要有壓電陶瓷和PVDF

4、壓電薄膜。（1）壓電陶瓷傳感器響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)簡單、頻響范圍寬、所需能量小，但是脆性大、不耐沖擊，容易影響基體材料性能，因此，壓電陶瓷的使用受到了一定的限制。（2）PVDF薄膜是一種具有壓電效應(yīng)的高分子聚合物薄膜，柔韌性極好、耐腐蝕，最小厚度只有幾微米，可以做成任意形狀，與基體結(jié)構(gòu)容易結(jié)合。但是，PVDF薄膜使用溫度范圍小，和基體材料的結(jié)合強(qiáng)度也小。最近幾年剛發(fā)展起來的含金屬芯壓電陶瓷纖維有效地克服了傳統(tǒng)壓電陶瓷傳感元件的缺點(diǎn)，有望在智能材料結(jié)構(gòu)中獲得很好的應(yīng)用。含金屬芯壓電陶瓷纖維的結(jié)構(gòu)呈圓柱形，金屬芯位于纖維的中心位置，外面包裹著一層壓電

5、陶瓷，在纖維的表面噴鍍金屬層。金屬芯既能改善陶瓷的脆性，增加陶瓷的強(qiáng)度，又能用作一個(gè)電極，纖維表面的金屬層可以用作另一個(gè)電極，這樣，單根含金屬芯壓電陶瓷纖維就可用作傳感器或驅(qū)動(dòng)器。含金屬芯壓電陶瓷纖維的直徑只有200～400μm，長度根據(jù)需要可以制作成10～50mm，由于結(jié)構(gòu)尺寸細(xì)小，可以很方便地植入基體結(jié)構(gòu)中，對(duì)基體結(jié)構(gòu)的性能影響很小。此外，智能材料結(jié)構(gòu)采用的傳感元件還包括電阻應(yīng)變絲、碳纖維、疲勞壽命絲和半導(dǎo)體傳感元件等，但是對(duì)它們的研究和應(yīng)用較少。2驅(qū)動(dòng)材料（器件）在智能材料結(jié)構(gòu)中用作驅(qū)動(dòng)元件的功能材料（器件）主要有壓電材料、形狀記憶合金

6、、磁流變材料、電流變材料等。在壓電元件上施加電壓時(shí)，由于逆壓電效應(yīng)，壓電元件在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生變形，驅(qū)動(dòng)基體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形或使應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化。壓電驅(qū)動(dòng)器的主要特點(diǎn)是響應(yīng)速度快、所需能量小、使用方便，主要缺點(diǎn)是應(yīng)變小。為了解決這一問題，近年來發(fā)展了壓電纖維復(fù)合材料，包括AFC(ActiveFiberComposites)和MFC(Macro-FiberComposites)。與傳統(tǒng)的壓電陶瓷相比，壓電纖維復(fù)合材料的應(yīng)變要大很多，還可以用于曲面，擴(kuò)大了壓電元件的使用范圍。形狀記憶合金是智能材料結(jié)構(gòu)中最先應(yīng)用的一種驅(qū)動(dòng)元件，它的特點(diǎn)是具有形狀記憶效應(yīng)

7、：首先將形狀記憶合金在高溫下定形后冷卻至低溫，然后對(duì)材料加載至發(fā)生塑性變形后卸載，使它存在殘存應(yīng)變，如果再加熱到一定溫度以上，材料又將恢復(fù)到未變形前的形狀。利用這個(gè)效應(yīng)，將形狀記憶合金埋入基體結(jié)構(gòu)，通過激勵(lì)形狀記憶合金，就可以使結(jié)構(gòu)具有智能性。形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)器的特點(diǎn)是變形量大、驅(qū)動(dòng)力大、易于和基體結(jié)構(gòu)結(jié)合、可以產(chǎn)生多種形式的變形，缺點(diǎn)是激勵(lì)時(shí)需要較大的能量、響應(yīng)速度慢。磁流變材料和電流變材料分別是利用磁場(chǎng)和電場(chǎng)的變化，使材料流動(dòng)特性發(fā)生變化，是2種重要的功能流體，已經(jīng)在結(jié)構(gòu)的減振中得到了應(yīng)用。缺點(diǎn)是需要高磁場(chǎng)和高電場(chǎng)，性能不穩(wěn)定，所需設(shè)備體

8、積較大。智能材料結(jié)構(gòu)在航空領(lǐng)域的典型功能實(shí)現(xiàn)最早開展智能材料結(jié)構(gòu)研究的就是航空領(lǐng)域。隨著航空科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)飛行器的結(jié)構(gòu)提出了輕質(zhì)、高可靠性、高維護(hù)性、高生存