智能复合材料与结构.ppt

1 第3章智能复合材料 ICM 与结构3 1概述定义 智能复合材料 IntelligentCM SmartMaterials 与结构是在复合材料基础上发展起来的一项高新技术 它是一种由传感器 信息处理器和功能驱动器等部分构成的新型复合材料 不同于结构材料和功能材料 它能通过自身的感知 获取外界信息 作出判断和处理 发出指令 具有执行和完成功能 所以单一材料不可能实现 往往要由多种材料组元复合构成 智能复合材料是信息科学融入材料科学的产物 2 智能复合材料结构是一类集成有传感元 驱动元的主动材料系统 除了具有感知 驱动功能外 还同时具有自动控制和计算学习的功能 这种基于仿生学概念发展起来的最先进的复合材料 能够适时地感知和调整材料的各种状态 以适应内外环境的变化 实现自检测 自诊断 自调节 自恢复 自我保护等多种特殊功能 3 具体来说智能材料需具备以下内涵 1 具有感知功能 能够检测并且可以识别外界 或者内部 的刺激强度 如电 光 热 应力 应变 化学 核辐射等 2 具有驱动功能 能够响应外界变化 3 能够按照设定的方式选择和控制响应 4 反应比较灵敏 及时和恰当 5 当外部刺激消除后 能够迅速恢复到原始状态 智能材料又可以称为敏感材料 其英文翻译也有若干种 常用的有Intelligentmaterial Intelligentmaterialandstructure Smartmaterial Smartmaterialandstructure Adaptivematerialandstructure等 4 智能材料的构想来源于仿生 仿生就是模仿大自然中生物的一些独特功能制造人类使用的工具 如模仿蜻蜓制造飞机等等 它的目标就是想研制出一种材料 使它成为具有类似于生物的各种功能的 活 的材料 因此智能材料必须具备感知 驱动和控制这三个基本要素 但是现有的材料一般比较单一 难以满足智能材料的要求 所以智能材料一般由两种或两种以上的材料复合构成一个智能材料系统 这就使得智能材料的设计 制造 加工和性能结构特征均涉及到了材料学的最前沿领域 使智能材料代表了材料科学的最活跃方面和最先进的发展方向 5 智能材料的特征因为设计智能材料的两个指导思想是材料的多功能复合和材料的仿生设计 所以智能材料系统具有或部分具有如下的智能功能和生命特征 1 传感功能 Sensor 能够感知外界或自身所处的环境条件 如负载 应力 应变 振动 热 光 电 磁 化学 核辐射等的强度及其变化 2 反馈功能 Feedback 可通过传感网络 对系统输入与输出信息进行对比 并将其结果提供给控制系统 6 3 信息识别与积累功能能够识别传感网络得到的各类信息并将其积累起来 4 响应功能能够根据外界环境和内部条件变化 适时动态地作出相应的反应 并采取必要行动 5 自诊断能力 Self diagnosis 能通过分析比较系统目前的状况与过去的情况 对诸如系统故障与判断失误等问题进行自诊断并予以校正 7 6 自修复能力 Self recovery 能通过自繁殖 自生长 原位复合等再生机制 来修补某些局部损伤或破坏 7 自调节能力 Self adjusting 对不断变化的外部环境和条件 能及时地自动调整自身结构和功能 并相应地改变自己的状态和行为 从而使材料系统始终以一种优化方式对外界变化作出恰如其分的响应 8 分类 复合材料智能结构分为被动控制式和主动控制式两类 被动控制式智能结构低级而简单 亦称为机敏结构 只传输传感器感受到的信息 如应变 位移 温度 压力和加速度等 结构与电子设备相互独立 9 主动控制式是一种智能化结构 具有先进而复杂的功能 能主动检测结构的静力 动力等特性 比较检测结果 进行筛选并确定适当的响应 控制不希望出现的动态特性 10 智能复合材料的构成 1 基体材料 基体材料主要起承受载荷的作用 一般选用轻质材料 其中高分子材料因重量轻 耐腐蚀等优点而受到人们的重视 也可选用金属材料 尤其以轻质有色合金为主 2 传感器部分 敏感材料 传感器部分由具有感知能力的敏感材料构成 它的主要作用是感知环境的变化 如温度 压力 应力 电磁场等 并将其转换为相应的信号 这种材料有形状记忆合金 压电材料 光纤 磁致伸缩材料 致伸缩材料 电致变色材料 电致粘流体 磁致粘流体 液晶材料 功能梯度材料和功能塑料合金 11 3 驱动器部分 构成驱动器部分的驱动材料如形状记忆合金 磁致伸缩材料 致伸缩材料 电致伸缩材料等 在一定的条件下可产生较大的应变和应力 从而起到响应和控制的作用 可以根据温度 电 磁 场等的变化而改变其形状 尺寸 位置 刚性 自然频率 阻尼以及其它一些力学特征 因而可具有对环境的自适应功能 4 信息处理器部分 信息处理器部分是智能复合材料的最核心部分 随着高度集成的硅晶技术的发展 信息处理器也变得越来越小 这就为将信息处理器复合进智能复合材料提供了良好的条件 12 13 应用 由于复合材料的可设计性强 加之智能结构与先进复合材料的制造方法相同 因此可根据实际应用情况的需要 重新将已用于航空航天等结构中的复合材料部件进行智能化处理 这样可从根本上解决复合材料构件其结构运行中出现的较难克服的问题 如振颤 应力集中 损伤检测等 14 在军事领域中的应用智能材料结构不仅象一般功能材料一样可以承受载荷 而且它还具有了其他功能材料所不具备的功能 即能感知所处的内外部环境变化 并能通过改变其物理性能或形状等做出响应 借此实现自诊断 自适应 自修复等功能 所以 智能材料在军事应用中具有很大潜力 它的研究 开发和利用 对未来武器装备的发展将产生重大影响 15 目前 在各种军事领域中 智能材料的应用主要涉及到以下几个方面 1 智能蒙皮例如光纤作为智能传感元件用于飞机机翼的智能蒙皮中 或者在武器平台的蒙皮中植入传感元件 驱动元件和微处理控制系统制成的智能蒙皮 可用于预警 隐身和通信 目前美国在智能蒙皮方面的研究包括 美国弹道导弹防御局为导弹预警卫星和天基防御系统空间平台研制含有多种传感器的智能蒙皮 美空军莱特实验室进行的结构化天线 即把天线与蒙皮结构融合在一起 研究 美海军则重点研究舰艇用智能蒙皮 以提高舰艇的隐身性能 16 2 结构监测和寿命预测智能结构可用于实时测量结构内部的应变 温度 裂纹 探测疲劳和受损伤情况 从而能够对结构进行监测和寿命预测 例如 采用光纤传感器阵列和聚偏氟乙烯传感器的智能结构可对机翼 机架以及可重复使用航天运载器进行全寿命期实时监测 损伤评估和寿命预测 空间站等大型在轨系统采用光纤智能结构 可实时探测由于交会对接碰撞 陨石撞击或其他原因引起的损伤 对损伤进行评估 实施自诊断 17 3 减振降噪智能结构用于航空 航天系统可以消除系统的有害振动 减轻对电子系统的干扰 提高系统的可靠性 如美国防高级研究计划局资助波音公司研制的直升机智能结构旋翼叶片 可以改善旋翼的空气动力学性能 减小振动和噪音 智能结构用于舰艇 可以抑制噪声传播 提高潜艇和军舰的声隐身性能 智能结构用于地面车辆 可以提高军用车辆的性能和乘坐的舒适度 国外正在研究的具有减振降噪功能的智能结构 主要由压电陶瓷 形状记忆合金和电致伸缩等新材料制成 18 4 环境自适应结构固定翼飞机在起飞和降落时需要升降副翼 在遇有阵风等情况时 飞机翼片的受力分布将发生变化 从而不能始终保持最佳升力 阻力比 这些显而易见的事实都说明飞机在不同的飞行状态和飞行条件下需要不同的机型和翼型 19 智能结构制成的自适应机翼 可变形机翼 能够实时感知外界环境的变化 并可以驱动机翼弯曲 扭转 从而改变翼型和攻角 以获得最佳气动特性 降低机翼阻力系数 延长机翼的疲劳寿命 如当飞机在飞行过程中遇到涡流或猛烈的逆风时 机翼中的智能材料就能够迅速变形 并带动机翼改变形状 从而消除涡流或逆风的影响 使飞机仍能平衡地飞行 20 美国的一项研究表明 在机翼结构中使用磁致伸缩致动器 可使机翼阻力降低85 美国波音公司和麻省理工学院联合研究在桨叶中嵌入智能纤维 电致流变体时可使桨叶扭转变形达几度 美国陆军在开发直升机旋翼主动控制技术 将用于RAH 66武装直升机 美国防部和航空航天局也在研究自适应结构 包括翼片弯曲 弯曲造型 控制面造型等 相信在不久的将来我们用智能材料制成的飞机机翼 就可以像鱼尾巴一样行动自如 自行弯曲 自动改变形状 从而改进升力和阻力 使飞机飞得更高 更快 21 将新型智能材料 新型驱动器 激励器 传感器无缝地综合应用于飞行器的一种新的设计概念 变形机翼通过应用灵敏的传感器和驱动器 光滑而持续地改变机翼的形状 对不断改变的飞行条件做出响应 从而可使飞机像鸟一样随意地在空中进行盘旋 倒飞和侧向滑行 变形机翼技术 22 飞机在巡航时通常要求机翼具有高展弦比和大机翼面积 而要想保持飞行速度快 就要求低展弦比和小的机翼面积 变形机翼的概念就是把二者的特点结合在一起 使机翼面积能够在50 到150 之间变化 变形机翼能够从根本上改善飞机的巡航和冲刺能力 以及飞行机动能力 美国防部预先研究计划局2003年启动 变形飞机结构 MAS 项目 旨在通过在飞行中改变飞机的气动外形使飞机在执行不同任务或在不同飞行包线时的飞机性能都保持在最佳状态 即通过变形飞 23 部件使新一代军用飞机能够用于执行多种形式的作战任务 其长远目标是设计一种续航能力比 全球鹰 无人机更强 机动性比F A 22战斗机更好的飞机 项目第一阶段的合同由三家主承包商承担 分别是洛克希德 马丁公司的折叠机翼概念 Hypercomp公司 新一代航空技术公司提出的 滑动蒙皮 变形机翼概念 利用海军的 火蜂 无人机机体作为验证平台 以及雷声公司的压缩机翼概念 采用美军 战斧 巡航导弹作为试验平台 24 25 形状记忆聚合物 SMP 新型材料在变形机翼设计中最重要的因素是一种称作形状记忆聚合物 SMP 的特殊材料 这种材料主要用作变形机翼的蒙皮 SMP具有一种特殊的记忆功能 当机翼被改变为不同形状布局后 SMP分子将会重新组构以恢复其初始形状 如图4所示 SMP材料的初始形态 也就是它的 记忆 形状是一种刚性体即高模量形态 当它受热 高频光或电激励后将变成一种低模量弹性体 从而可被驱动器和特殊的控制装置伸展成不同的形状 当它再次被激励后 它将恢复到它的原来的高模量形态 26 27 新型压电作动器在MAS项目中 DARPA还资助发展一种新型压电作动器 称之为 紧凑式混合驱动器项目 CHAP 这种作动器相对于传统的驱动器来说体积非常小 功效却很大 体积小将带来很大优势 因为如果采用大体积的驱动器 其连接机构也将非常大 势必大幅增加机翼重量 有效功率将大大减小 下面图5和图6示出美国宾夕法尼亚州立大学技术研究所在MAS项目支持下为洛克希德 马丁公司的变形折叠机翼设计和制造的应用于折叠机翼和前缘襟翼的压电驱动器 28 29 30 5 智能材料与住宅智能化未来的住宅 墙壁可以随心所欲地变换颜色 椅子可以随人体不同的需要改变温度和形状 一切的电器都是触摸式的 永远不会再有触电的危险 可视电话带有传感功能 随着智能材料的发展 智能化住宅已经不再只是梦想 虽然目前还处于设想阶段 但是已经开始着手进行研究 并且必然将在不久的将来成为现实 31 多功能砖多功能砖用来构建整个房屋的结构单元 这种结构单元具有变通性和智能性 这种多功能砖的第一层是功能层 能感受来自周围的声能 热能 光能 并能控制这些能量的输出 如果是内墙壁砖的话 还能控制和改变墙的功能 第二层是通讯层 能为居住者提供内外通信联系的通道 第三层是输送通道 可以用来输送水和其它材料 住户还可以挑选合适的带 面膜 的砖材 面膜是砖材的最上层 可以使墙壁产生不同的色彩和图案 传感膜可以接收声波 热能和可见光并予以减弱或增强 地膜可产生耐久的色彩和图案 界面膜可连接内外通信线路 面膜的设置及其构形并不是一成不变的 而是很容易剥离并换上新的面膜 32 食物器皿在未来的厨房里不会看到传统的碗碟 在毫微塑料的桌面上旋转的碗不仅能测知食物的存在 而且可以根据用户的需要自行形成各种形状的碟子 供准备 烹调和上菜时使用 并且这种盛食物的碗还具有保温和在不使用冰箱的情况下保鲜的功能 33 座椅坐椅不仅功能将大大增加 而且也将增加舒适程度 使用毫微塑料能改变椅座面的柔韧性和弹性 也可以形成各种型式的椅座面 如果出于美学的考虑 或是便于人们入座或从座椅中站起 毫微塑料也可以形成所需的任何图案或结构 还能改变座椅本身的结构 由于不同年龄段的人对温度舒适性的要求有很大区别 这种座椅还可以随心所欲地升温和降温 它甚至还对人们喜爱的舒适温度具有记忆功能 34 卫生间在卫生间里 常见设施是洗脸盆 抽水马桶和淋浴器 而采用了智能结构后 在洗漱时 人们只要接触洗脸盆支架表面的任何区域 就能调节控制水温 水速和水流的状态 集中喷射的水流或宽阔的水帘状等 供人们选择 洗脸盆上方的镜子能照出人的正常反转象 还能照出真实的非反转象 35 抽水马桶的形状和大小可随使用者的不同而自动变化 坐垫自动加热至舒适的温度 整个结构十分轻便 无论安装在室内的任何地方 都能和多功能砖牢固地砌合 从而解决上下水的问题 在电脑住宅的厕所里 安装了一台检查身体的电脑系统 每当有人上厕所时 与马桶相连的体检装置即自动分析大小便的情况 如发现异常 电脑会立即发出警报 淋浴设备只要和多功能砖相连接 上下水 水温和水流都能得到自动控制和调节 36 6 与现代医学相联系的智能材料人造肌肉因为生物弹性材料能模拟活体生物 而且其力量和反应速度均接近于人体的肌肉 所以这种材料可以应用于人体组织的修复 而且它们还具有与生物体的相容性 随着伤口的愈合 这种聚合物就会在体内逐渐降解 最后将会消失 37 人造皮肤意大利比萨大学的科研人员为了使机器人与真人更接近 让它的皮肤具有感觉功能 研制成功一种人造皮肤智能材料 这种材料可以感知温度 热流的变化以及各种应力的大小 并且有良好的空间分辨力 这种智能材料还可以分辨表面状况 例如 粗糙度 摩擦力等 38 在药物自动投入系统上的应用科学家正在研制一种能根据血液中的葡萄糖浓度而扩张收缩的聚合物 这种聚合物可制成人造胰细胞 将它注入糖尿病患者的血液中 小球就可模拟胰细胞工作 使病人的血糖浓度始终保持在平常的水平上 39 智能材料的两种抗癌应用 如图一种有效的抗癌药物胶囊 即药物 导弹 图中的疏水性药物载体形成了 导弹 的疏水内核 而亲水性部分则在内核周围形成了一个水化物外壳 所形成的这种高分子聚合物胶囊是一种智能型药物载体 它能自动避免被机体内单核吞噬细胞捕获而有效的到达癌细胞所在地 40 90年代后期 研制出用对电磁场敏感的铁氧体包覆Ti Ni形状记忆合金丝制成了癌症温热疗法用针 首先 通过导管将这种针植入病人癌变部位 由于形状记忆作用 这种针会发生弯曲变形现象 其次 在通过涡流效应产生高频电磁场作用下 形状记忆合金针将能够产生一定的热量而使癌变区得到萎缩 41 7 主动结构声控智能材料系统中最成熟的应用领域是主动结构声控 采用智能结构进行主动结构声控是降低军用系统噪声的有效途径 一般说来 可以采用两种方法来实现主动结构声控 一种是简单地使结构完全停止振动 显然它可以使声辐射降低到零 这是一种强制性的方法 往往也是办不到的 42 另一种就是采用智能控制方法 它是指有选择地控制辐射振动模 因为并不是所有的振动模都辐射 具有危险性 的声波 减少系统的质量和功耗也同样是必须考虑的因素 因而最好的办法是 感觉 辐射 具有危险性 的辐射波振动模 并使用分布在整个结构中的驱动器 压电材料或电致流变体 对产生的该振动模进行控制 该方法的效率取决于对材料系统相互作用的基本物理现象的认识和智能材料系统的自适应能力 43 美国军方提出采用主动声控涂层进行声信号抑制 提高潜艇主动隐身性能 这项技术将使噪声降低60分贝 并使潜艇探测目标的时间缩短100倍 预计这种主动声控涂层将采用压电涂层材料和采用电致流变体技术的主动消声贴片 44 美国麻省理工学院正在研制 增强型主动降噪潜艇壳体模型 45 8 主动振动控制振动会极大地降低工程系统的性能 如降低对地观测卫星的传感器精度 减弱跟踪和预警卫星跟踪目标的能力 使制导武器性能下降 导致系统金属结构的疲劳破坏 此外还会干扰空间站的微重力环境等 采用压电材料 形状记忆合金或电致流变体的智能结构均可实现振动的主动控制 提高军用系统的性能 如采用智能结构进行主动振动控制 可降低直升机旋翼的振动振幅以及产生可控的扭曲形变 提高直升机的有效载荷 使速度增加 戒备能力提高 46 空间系统的主动振动控制智能结构 主要采用压电陶瓷或电致伸缩材料作为驱动器 考虑的主要因素是低功耗 耐久性 疲劳特性 稳定性和温度 环境效应等问题 同时还考虑控制器的小型化 传感器可用光纤和压电材料 当系统结构受到外力作用振动并产生形变时 压电应变传感器可产生与压力成正比的表面电荷 控制系统对传感器测量的信号进行处理后 再给压电驱动器反馈一个适当的电压 使其产生反向变形力 从而产生对系统结构的阻尼作用 使系统结构的振动随之迅速减弱 47 主动振动控制自适应结构 另一项主要应用是消除航天器控制系统与柔性结构的相互干扰作用 未来大型柔性航天结构因其振动频率低于控制系统的频率 会导致有害的控制 结构干扰作用 用传统的设计方法不能消除这种作用 并且不能简单地从传感器中滤去结构振动信息 必须从结构优化 阻尼减振方面考虑 智能结构则是解决大型柔性结构相互干扰作用最有效的手段 48 智能材料的种类 形状记忆合金一般金属材料受到外力作用后 首先发生弹性变形 达到屈服点 就产生塑性变形 应力消除后留下永久变形 但有些材料 在发生了塑性变形后 经过合适的热过程 能够回复到变形前的形状 这种现象叫做形状记忆效应 SME 具有形状记忆效应的金属一般是两种以上金属元素组成的合金 称为形状记忆合金 SMA 49 形状记忆合金可以分为三种 1 单程记忆效应形状记忆合金在较低的温度下变形 加热后可恢复变形前的形状 这种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应 2 双程记忆效应某些合金加热时恢复高温相形状 冷却时又能恢复低温相形状 称为双程记忆效应 3 全程记忆效应加热时恢复高温相形状 冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状 称为全程记忆效应 50 51 形状记忆合金的应用工业应用 1 利用单程形状记忆效应的单向形状恢复 如管接头 天线 套环等 2 外因性双向记忆恢复 即利用单程形状记忆效应并借助外力随温度升降做反复动作 如热敏元件 机器人 接线柱等 3 内因性双向记忆恢复 即利用双程记忆效应随温度升降做反复动作 如热机 热敏元件等 但这类应用记忆衰减快 可靠性差 不常用 4 超弹性的应用 如弹簧 接线柱 眼镜架等 52 医学应用 Ti Ni合金的生物相容性很好 利用其形状记忆效应和超弹性的医学实例相当多 如血栓过滤器 脊柱矫形棒 牙齿矫形丝 脑动脉瘤夹 接骨板 髓内针 人工关节 心脏修补元件 人造肾脏用微型泵等 53 传感 集成电路 驱动是最典型的机械电子控制系统 但复杂而庞大 形状记忆材料兼有传感和驱动的双重功能 可以实现控制系统的微型化和智能化 如全息机器人 毫米级超微型机械手等 21世纪将成为材料电子学的时代 形状记忆合金的机器人的动作除温度外不受任何环境条件的影响 可望在反应堆 加速器 太空实验室等高技术领域大显身手 54 美国正在研制智能材料与结构做成的机翼 它可以在各种飞行速度下始终自动保持最佳翼型 大幅度提高飞行效率 对出现的危险振动可自动抑制 从而使其工作性能和安全可靠性得到根本性的提高 其中完成 驱动 和 控制 职责的多采用形状记忆合金 另外 利用形状记忆合金智能材料抑制飞机的颤振及进行振动的主动控制等已进行过大量研究 预计很快要投入实际应用 55 形状记忆合金在国外军事工业特别是航空工业已有一些应用 其中制成管接头是记忆合金应用最为广泛也是最为成功的 据报道 形状记忆合金管接头已在美国F 14喷气式战斗机输油管上使用了不下数十万个 没出现过一例漏油事故 可靠性很高 56 此外 形状记忆合金在构件裂纹的自动探测 裂纹扩展的主动控制 构件振动的主动控制等方面已取得了可喜的进展 57 电流变体和磁流变体电致 磁致变体智能材料大多是由合成材料或陶瓷材料制成的 具有在电场或磁场的作用下发生变性的能力 其变化的大小与电场和磁场的强度有关 科学家研制成功一种电致变性材料 这种材料在接通电流时 可以从液体变为接近固体 如果向空心复合梁中充入电流变性液体材料 在外电场的作用下 这种液体材料就会变硬 从而使梁变成僵硬状 将这种现象与传感器结合起来 就可以实现使复合梁随着负载的变化而改变其性质 这将是装配结构智能化的一个突破性的新起点 此外 这种材料还可以用作在地震时能自动加固建筑物的基础 磁致变性材料在机电工业中也有广泛的用途 58 磁致伸缩材料目前磁致伸缩智能材料的主流是稀土磁致伸缩材料 稀土超磁致伸缩材料是近期才发展起来的一种新型功能材料 这种材料在电磁场的作用下可以产生微变形或声能 也可以将微变形或声能转化为电磁能 在国防 航空航天和高技术领域应用极为广泛 如声纳与水声对抗换能器 线性马达 微位移驱动 如飞机机翼和机器人的自动调控系统 噪声与振动控制系统 海洋勘探与水下通讯 超声技术 医疗 化工 制药 焊接等 燃油喷射系统等领域 它具有磁致伸缩值大 机械响应速度快和功率密度高特点 59 主要用途 1 由于稀土超磁致伸缩材料比传统材料在性能上有了惊人的提高 所以在电器 家电 通讯器材 电脑等生产领域 稀土磁致伸缩材料逐渐取代了传统的磁致伸缩材料和电致伸缩材料 使产品升级和更新换代更加容易 2 由于稀土超磁致伸缩材料的独特的性能 可被用于开发新一代的元器件 如广泛应用于精密控制系统 如油料控制 伺服仪 导弹发射控制装置等 声光发射系统 如信号处理 声纳扫描 超声 水声等 以及换能器 驱动器等等的开发 60 美国开发出了一系列用于军事目的的尖端产品 将其应用于舰艇水下声纳探测系统以及导弹发射控制装置等 我国对磁致伸缩智能材料新产品的开发还处于起步阶段 但也已呈现出良好的发展势头 如中国长江水利委员会应用这种材料 开发出了大功率岩体声波探测器 应用于三峡工程和地球物理勘探 辽河油田应用这种材料 开发出了井下物理法采油装量 东北大学和大连理工大学应用这种材料 在进给和精密定位方面进行联合开发 61 压电材料压电智能材料可以将压强 振动等迅速转变为电信号 或将电信号转变为振动信号 也就是说压电材料在外电场的作用下可以产生微小变形 同时也可以将微小变形转变为电信号 而且新一代的压电材料还具有了条件反射和指令分析的能力 其特征和运转方式类似于人的神经系统 可执行类似于大脑的指令 压电材料的这种独特功能 使其在智能材料系统中具有广阔的应用前景 62 1 压电陶瓷驱动器由于压电陶瓷具有把电能转变为机械能的能力 因此当应用系统通电给压电陶瓷时 使材料的自发偶极矩发生变化 从而使材料的尺寸发生改变 据报道 88层的压电陶瓷片做成的驱动器可在20ms内产生50 m的位移 响应速度之快是其它材料所无法比拟的 是高精度 高速驱动器所必须的材料 已应用在各种跟踪系统 自适应光学系统 机器人微定位器 磁头 喷墨打印机和扬声器等 63 2 压电传感器由于压电材料对于所加应力能产生可测量的电信号 因此在高智能材料系统中可用做传感器 PVDF压电陶瓷的压电性比石英高3 5倍 压电系数值更高 并且可以做得很薄 可贴在物体表面 非常适合做传感器 在机器人上做触觉传感器可感知温度 压力 采用不同模式可以识别边角 棱等几何特征 同时这种材料具有热释电效应 可用作温度传感器 64 压电复合材料的发展 克服了压电陶瓷自身的脆性和聚合物压电材料的温度限制 而更加受到重视 杆状和片状这种柔性压电复合材料做成的传感器被广泛应用于水声和医用超声传感器 其灵敏度和力学性能很好 而另一种含有压电粉末的聚合物连通性压电复合材料 可做成膏状或涂层 涂于复杂形状结构上 可以提供该结构的应力状态以及安全状态 65 压电材料 这一古老的材料 通过对其进行改性或与其它材料复合 应用在智能材料与结构中可以决传统技术中难于解决的一些关键问题 而且其作用也是其它材料难以取代的 科学家最近研制成功一种压电晶体 如果将其放入壁纸中 就可以大大减小冰箱或空调机的噪声 给住户创造了一个安静的居住环境 66 航空航天用智能材料研制这项新技术的兰利中心 形态工程 负责人说 大多数人甚至还没有意识到此项技术的存在 形态工程 的任务是构想20年后划时代的航空航天设计是怎样的 并开始研制这项技术使其构想变成现实 例如 一架个人的空中汽车既要求它简洁 但同时可以在非常低和非常高的时速下飞行 她接着说 我们认为要制造这样一种 喷气式时代 交通工具 需要机翼构型能够进行根本的变化 在非常高速和非常低速的状态下可以使用的机翼 是完全不同的 67 现在有些飞机已经具有可调机翼 如挪威的F 14雄猫飞机和B 1超音速轰炸机 这些飞机将刚性的机翼通过巨大 沉重的曲轴安装在机身上 作为对比 形态工程的科学家们所设想的机翼可以根据指令而展开 这种机翼是使用 形态记忆 合金或其他新颖的材料制成 可以弯曲产生新的形状 形态记忆 合金具有独特的性能 当提供足够的热量后 它可以很快的恢复原有形状 任何形状都可以最终恢复成它原有的状态 68 研究可定制变化的压电材料 这种物质随电压而变化 当扭曲这种压电材料时就会有电压产生 相反 如果对其提供电压则材料便会弯曲 科学家们利用这种特性 将其设计做应变传感器或 驱动器 安装在机器中作为可产生微小动作 例如移动飞机的副翼 结合微电子技术 这些材料可以从根本上提高未来飞机的设计水平 展望未来的20年 飞机可随时进行分布式的自我评估和维修 要想达到这样的技术水平 需要在机翼中分布安装驱动器和传感器 这如同人体的工作 我们有遍布全身的肌肉和神经 所以我们能意识到身体发生的变化并通过一些途径对这些变化产生反应 69 智能传感器传感器 Sensor 传统上一般指能够感知到某种物理量 如电 光 磁等 化学量 如浓度 PH值等 生物量 如细菌等 等的信息 并将该信息转化为有用信息的装置 通常由敏感元件 感应变化 转换元件 将变化转化为有用信息 和其他辅助元件组成 70 随着智能材料和人工智能技术特别是微计算机技术的迅猛发展 在许多智能化要求比较高的高新技术应用领域提出了智能传感器 IntelligentSensororSmartSensor 的要求 这是一种将传感器与微型计算机集成在一块芯片上的装置 它的主要特征是将敏感技术和信息处理技术相结合 使其除了具有感知的本能外 还具有认知的能力 71 一般认为 智能传感器应具备以下条件 1 由传感器自身能消除异常值和例外值 提供比传统传感器更全面 更真实的信息 2 具有信息处理功能 如自动补偿功能 3 具有信息存贮及自诊断功能 4 具有自适应和自调节功能 5 具有智能算法及自学习功能 6 可以有数字通信接口 能实现网络化或远程通信 目前研制的智能材料传感器主要有光纤传感器 压电传感器和微芯片传感器等 72 3 2ICM与结构开发研究的特点与以往一些新材料技术的发展相比 智能复合材料与结构的发展有如下突出的特点 1 发展异常迅速出现了用形状记忆合金作驱动器的树脂基复合材料夹芯结构的 柔性 机翼 为水陆两用型 通过其截面发生的曲面变化来进行飞机高度的控制或自适应升力的变化 在水和空气中 该机翼结构的变形响应与翼尖的位移 动力要求与动态响应有关 利用光学传感阵埋入复合材料的飞机构架 该系统可监测和控制飞机构件的疲劳裂纹 腐蚀状况 分层等信息以确保飞机安全 降低飞机保养与修理费用及避免人为观测误差 73 早在1991年美国波音集团军事部就提出智能结构 健康 监控 SHMS 即把先进的光学传感网络集成在未来飞行器的结构中 这些传感器探测监控疲劳与裂纹 腐蚀 冲击 开胶 温升等情况 以保证飞行器以最低的成本 最小的维修 最好的性能安全飞行 人们最关心的是光纤材料的埋入 是否会引起层间断裂韧性的下降或基体材料损伤 但1991年加拿大多伦多大学的试验表明 对于Kevlar 环氧复合材料埋入光纤既没有降低拉伸强度和压缩强度 也没有由于埋入光纤而引起层间断裂韧性的降低 同时人们还发明了浸蚀光纤的技术 利用这种技术可以控制光纤的易损性 74 2 对智能材料与结构的开发研究多以宇航与国防应用为目标许多大学等研究部门均成立了 智能材料与结构研究中心 工业部门也竞相投资 而国防部门和宇航系统对该领域的研究更是给予了高度重视 并且资助这方面的研究单位 绝大多数属于空军 海军 国防部和宇航系统 3 基础研究与应用研究并行 75 3 3ICM与结构的设计原理与方法智能复合材料在功能结构上虽然可以分为以上4大部分 但是它并不是这4部分的简单叠加 而是它们的有机结合 制取智能复合材料时在工艺上需要解决很多关键的技术问题 不仅要在宏观上进行尺寸和结构的设计与控制 而且更要在微观 至纳米级 分子乃至原子的尺寸 上进行结构设计与复合 76 3 3 1智能复合材料的设计原理智能复合材料的功能实现是依靠信息的传递 转换和控制 因此信息的采集 流向对智能复合材料的功能有着极为重要的影响 智能材料的作用机制可用下图说明 环境变化 声音 光 热 力 辐射 化学等 传感器部分 具有检测声波 光波 力 温度 化学浓度 辐射强度的敏感元件 信息处理器部分 驱动器部分 具有机械运动 流体运动 电能 磁能 化学能 改变强度的功能元件 生产线 信息 输入 输出 智能复合材料 控制 77 3 3 2智能复合材料的设计方法 1 根据智能复合材料的应用和目标 提出智能复合材料的系统智能特性 2 选择基体材料和传感器部分 处理器部分 驱动器部分的机敏材料 3 从宏观上和微观上进行结构设计 4 建立数学和力学模型 对智能复合材料系统进一步优化 5 进行理化测试 检验材料的功能 随着计算机技术的日益发展和在生产实际中的广泛应用 智能复合材料的设计也可应用计算机进行模拟设计 78 333智能复合材料的制备工艺方法目前 在国内外 智能复合材料的合成方法有以下几种 1粒子复合将具有不同功能的材料颗粒按特定的方式进行组装 可构制出具有多种功能特性的智能复合材料 如在特定的褊衬底上 通过电子束扫描产生电子气化花样 在电子静电引力的作用下 带电的颗粒就会排列成设计的花样 如在 3的衬底上 用电子束扫描法可将 2粉末粒子组成各种花样 这一技术可使微粒组装成多功能式的智能复合材料 将一种机敏材料的颗粒复合在异质基体中也获得优化的智能复合材料 例如压电陶瓷和压电高分子以不同连接度复合 可获得性能优异的压电智能复合材料 将压电陶瓷颗粒弥散分布在压电聚合物中可制得大面积的各种形状的压电薄膜 79 2薄膜复合薄膜生长及合成技术近年来发展很快 制备超晶格量子阱超薄层材料已成为可能 如分子束外延 金属有机化合物分解 化学气相沉积 原子层外延 化学束处延 和迁移增强层外延 等多种技术 为制备纳米级的多层功能智能复合材料创造了条件 将2种或多种机敏材料以多层微米级的薄膜复合可获得优化的多功能特性材料 如将铁弹性的形状记忆合金与铁磁或电驱动材料复合 把热驱动方式变成电或磁的驱动方式 可拓宽响应频率范围 提高响应速度 80 3纳米级及分子复合将具有光敏 压敏 热敏等各种不同功能的纳米粒子复合在多孔道的骨架内 可灵活地调控纳米粒大小 纳米粒之间及其与骨架之间的相互作用 具有很好的可操作性 能得到兼有光控 压控 热控以及其他响应性质的智能复合材料 如在沸石分子筛中 具有纳米级空笼和孔道 组装半导体纳米材料 如 d 可做光电控元件 组装纳米光学材料 可做光控元件 81 3 4ICM与结构的体系种类及其应用3 4 1高分子智能复合材料将高分子材料作为结构材料使用的共同特点是 密度小 比强度高 耐腐蚀 加工性好 易加工成形 可制成复杂形状的零部件 摩擦性能好 易满足不同摩擦条件要求 具有绝缘性 密封性 减震性及可染色性等特点 高分子材料还有一个最大的特点是可设计性 这就为高分子材料与其他材料如磁电致伸缩材料 压电材料 形状记忆合金等复合而成智能高分子复合材料提供了良好的条件 82 3 4 2功能玻璃智能复合材料功能玻璃材料是材料科学领域近年来异军突起的一支 在国际上称之为新玻璃 功能玻璃具有特殊的机械 光学 电磁 热学 化学 生物等力学性或理化性能 如磷灰石结晶化玻璃 2 2 5 2 具有生物体适合性 利用它的这一特性 可制成人工骨 人工齿等 将它与其他材料复合可制得人工心脏等具有更高智能的复合材料 83 3 4 3形状记忆合金 智能复合材料形状记忆合金是集 感知 和 驱动 于一体的功能材料 最典型的形状记忆合金是 合金 这类材料还有 和 等 这类材料几何形状会随温度的变化发生突变 在低温时其组织为马氏体状态 可进行间隔性塑性变形 当加热到特征温度以上时发生马氏体到奥氏体的转变 从而恢复到原来的形状 即显示形状记忆效应 因形状记忆合金既可作传感器 又可作驱动器 将其与信息处理