智能材料與汽車結構健康監測＊

李立軍 孫凌玉 黃彬城 褚艷濤 張一犇

（北京航空航天大學，北京 100191）

1 前言

智能化是汽車的重要發展方向。結構健康監測（Structural Health Monitoring，SHM）可在線探測結構損傷和老化信息，對結構進行評估、故障診斷和剩余壽命預測，不但有助于提高結構或設備的安全可靠性、降低維護成本、延長使用壽命，而且有利于結構服役信息的采集和優化設計，具有廣闊的應用前景[1-3]。但因缺乏高效、智能的傳感器和執行器，導致結構健康監測系統的應用進展緩慢[4-5]。近年來，智能材料（Smart Materials）研究發展迅速，為結構健康監測中信息采集和損傷修復提供了一種有效的途徑[6-8]。智能材料指具有感知外部環境和內部環境變化能力的材料，它既可以對變化量進行信號采集和分析，實現自我診斷，又可以具有一定的調節和修復能力[9-10]。將成本低、性能穩定、響應速度快的智能材料嵌入或粘貼在汽車結構件上進行感知并預報載荷、缺陷和損傷，通過仿真分析和試驗的驗證，形成具有自監測、自診斷、自適應的結構健康監測系統，對汽車特別是智能汽車的開發具有重要的工程價值和學術意義。本文系統介紹了智能材料的特征和研究進展，分析了結構健康監測的原理和系統組成，綜述了智能材料在汽車領域應用的研究現狀，提出了基于智能材料的汽車結構健康監測研究的關鍵科學問題和發展方向。

2 智能材料的特征及研究進展

2.1 智能材料定義

智能材料是指對環境（包括內環境和外環境）的刺激具有感知能力，并能作出一定反應適度響應環境變化的新型材料，環境刺激通常包括應力、應變、熱、光、電、磁和輻射等。智能材料的概念來源于仿生學，由日本學者高木俊宜和美國學者Newnhain同時提出，目標是構建類似生物組織那樣具有智能屬性的材料[11-13]。

智能材料具有自傳感（Self-sensing）、自診斷（Selfdiagnosis）、自調節（Self-adjusting）和自修復（Selfrecovery）功能，因此受到世界各國許多專家和學者關注，成為材料科學與工程以及交叉學科領域的研究熱點，并開始在醫療、航空航天、汽車、環境保護等領域得到應用。智能材料的種類豐富多樣，主要包括形狀記憶材料、壓電材料、電/磁致伸縮材料、電/磁流變材料、智能光纖、自組裝材料等。其中，形狀記憶材料、碳納米管復合材料、壓電材料和磁流變彈性體（見圖1）具有性能穩定、傳感特性好等優點，成為智能材料領域新的研究熱點。

圖1 典型的智能材料示意[14-18]

2.2 形狀記憶材料

形狀記憶材料（Shape-Memory Materials，SMM）是最早被研究并投入應用的智能材料之一，主要包括形狀記憶合金（Shape-Memory Alloys，SMA）、形狀記憶陶瓷（Shape-Memory Ceramics，SMC）和形狀記憶聚合物（Shape-Memory Polymer，SMP）[19]，其中典型的SMP材料組成如圖2所示。其優點是變形量大、驅動力大，缺點是響應頻率低、帶寬窄、耐久性差。

圖2 形狀記憶類聚合物[19]

為改善形狀記憶材料的疲勞及耐久性能，國內外學者開展了大量研究。Carreras等[20]通過試驗發現熱效應對NiTi形狀記憶合金的疲勞壽命有很大影響。Kitamura等[21-22]的研究表明“過應力”或“過應變”都會減少形狀記憶材料的壽命，因此需要避免過載。馬艷紅等[23]建立了一種形狀記憶合金橡膠的本構模型，并通過仿真和實驗對其熱機械行為進行了研究。近年來，為拓展其應用領域，需改善記憶材料的吸能性、韌性、剛度和自修復能力等性能，一些學者[24-25]嘗試把形狀記憶材料與其他材料組合起來制成形狀記憶混合材料（Shape-Memory Hybrids，SMH），或稱為形狀記憶復合材料（Shape-Memory Composites，SMC），為形狀記憶材料的研究和應用提供了新角度。Pinto等[26]在碳纖維復合材料中植入形狀記憶合金絲制成了一種先進復合結構，并將其用于結構健康監測系統，根據內部電阻的變化檢測應變和損傷。

2.3 碳納米管復合材料

碳納米管（Carbon Nanotubes，CNTs）是一種具有優異力學性能和良好導電、導熱能力的微材料，其直徑比碳纖維小3個數量級，將它與其他材料復合可制成具有壓阻或熱阻特性的智能材料。由于碳納米管可穿過纖維周圍或層間的富樹脂區域，其與纖維增強樹脂基材料復合時可形成導電逾滲網絡，作為分散的微型傳感器監測損傷的形成和擴展。此外，還有碳納米紗線（也稱為碳納米管纖維，見圖3）、碳納米管薄膜等多種應用形式。

圖3 碳納米管纖維的制備方法[27]

近年來，碳納米管的自傳感特性與結構損傷監測研究受到關注。Zhang等[28]制成了碳納米管/石墨纖維環氧樹脂層合板，發現疲勞載荷下材料的電阻隨裂紋的增加而線性增加，且碳納米管導電網還具有一定的損傷修復能力。Gao等[29]研究了碳納米管分散方法和分散狀態對復合材料電阻率的影響，提出了表征復合材料中損傷狀態的特征參數——損傷電阻演變率，并采用聲發射無損檢測方法進行了驗證。Abot等[30]把碳納米管紡成碳納米紗線，將其植入復合材料層合板中，發現碳納米線對分層損傷很敏感，開展了單獨針對碳納米紗線的準靜態單軸拉伸試驗，建立了碳納米紗線的應變-電阻變化關系，為應用奠定了理論基礎。Qiu等[31]分析了碳納米管薄膜的形變與拉曼光譜之間的關系，提出了一種非接觸式應變測量技術，用于測量微尺度下的面內應變分量。

2.4 壓電材料

壓電材料（Piezoelectric Materials）是一類利用壓電效應實現機械能與電能相互轉化的智能材料，原理如圖4所示。壓電效應是指電介質晶體在機械應力的作用下產生極化并形成表面正、負相反電荷的現象，一般也稱為正壓電效應；若外加電場于這類電介質晶體上，電場的作用將引起電介質內部正、負電荷中心發生相對位移而導致形變，這種效應被稱為逆壓電效應[32]。

圖4 壓電傳感器的原理示意[33]

壓電陶瓷（Piezoelectric Ceramics）是最早被開發且最常用的壓電材料，但其存在變形小、脆性大等缺點。壓電復合材料（Piezoelectric Composite Materials）是將壓電材料（如壓電陶瓷纖維）與非壓電材料（如環氧基樹脂）以及交叉電極按一定比例、連通方式和空間幾何分布復合而成，具有比壓電陶瓷更高的驅動效率、更靈敏的傳感性能和更強的耐用性能，且柔韌性好，可設計性強，應用前景廣闊[34]。Konka等[35]已證明嵌入式應力/應變傳感器的分辨率和靈敏度明顯優于傳統應變計。

為優化壓電復合材料結構的設計，采用數值仿真和試驗對復合材料的結構參數及各組分材料特性進行分析和預測是近年來壓電材料研究的熱點[36]。呂軍等[37]利用基于擴展有限元的多尺度數值方法，模擬和分析壓電復合材料的熱學-電學-力學行為。Murilo等[38]建立了一種智能壓電復合材料殼的有限元模型，將這種材料粘貼在鋁制懸臂梁表面進行模態試驗，通過與仿真的對比發現：這種傳感器可有效監測懸臂梁的頻率變化。

2.5 磁流變彈性體材料

磁流變彈性體（Magnetorheological Elastomer，MRE）是一種新型的固態智能材料，由高分子聚合物基體（如橡膠、樹脂等）和彌散在基體內的微米尺度鐵磁性顆粒（如羥基鐵粉）組成（見圖5），在磁場作用下，具有力學、電學和磁學性能連續、迅速和可逆變化的機敏特性。

圖5 磁流變彈性體中鐵磁顆粒分布情況[39]

相對于磁流變液，磁流變彈性體克服了液體沉降、泄漏、穩定性差等缺點，同時還具有無需密封、響應快、結構簡單等優點。鐵磁性顆粒要求具有高磁導率、低剩磁和高飽和磁化強度。高磁導率和高飽和磁化強度提供了顆粒間較大的相互作用力，從而有較強的磁流變效應；低剩磁的顆粒在磁場消除后不會繼續吸在一起，從而有可逆的磁流變效應[33]。Jolly等[40]制備并測試了硅橡膠基的MRE試樣，發現在0.8 T的外加磁場下其剪切模量增加了約40%。Chen等[41]以天然橡膠作為基體制備出了相對磁流變效應達133%的MRE試樣。Hu等[42]采用聚氨酯/硅橡膠混合材料作為基體制備出的新型MRE，結果表明混合膠比單一橡膠具有更高的磁流變效應，混合基MRE可能具有很大的研究價值。

針對MRE產品開發，電學、磁學、力學、熱學特性及其相互耦合問題是研究的熱點和難點。Sun等[43-44]制備了新型毫米級顆粒MRE，建立了力-磁耦合的有限元模型，揭示了MRE磁致伸縮作用的機理。Kchit等[45]研究了MRE的磁致電阻與溫度、壓力的關系。磁流變彈性體除具有磁阻伸縮特性之外，還具有優良的磁致電阻特性。Wang等[39]試驗測試發現：MRE試樣的電阻在磁場或壓縮載荷作用下會出現顯著的變化。李光輝等[46]運用MRE的磁致電阻特性設計了位移傳感器。Danas等[47]發現MRE可以產生2倍于巨磁致伸縮材料Terfenol-D合金的磁致伸縮應變，這表明MRE是一種十分理想的磁致伸縮執行器材料。利用磁流變彈性體的磁致電阻特性和磁致伸縮效應可實現傳感器和執行器的集成。

3 結構健康監測

結構健康監測指利用粘貼在結構表面或嵌入結構內部的傳感器系統實時獲取結構對外部激勵（人為或者環境）的響應，從而探測和預報結構的損傷和老化信息，對結構進行安全可靠性評估的過程，可避免事故發生[48]。該研究方向綜合了材料學、力學、機械學、計算機、電子學、仿生學、信息技術、控制論等多學科知識[49]，屬于交叉研究領域。結構健康監測的主要內容包括載荷監測、損傷定位、損傷分析、結構剩余壽命預測乃至結構的自我修復。目前，結構健康監測已在橋梁、體育場館、飛機等大型建筑物和結構中得到了應用（見圖6），但在汽車等小型載運工具中的應用非常少，一方面是受傳感器和執行器尺寸和精度的限制，另一方面是源于復雜多變的載荷環境的挑戰，當然也有成本的原因。

圖6 結構健康監測研究的應用領域[50]

結構健康監測系統一般包括[51-52]：

a.傳感系統。安裝在被監測結構表面或嵌入其內部，將待測物理量轉化為電信號、磁信號、光信號等。

b.數據采集和處理系統。收集傳感系統的數據并進行初步處理。

c.通訊系統。將處理過的數據傳輸到監控中心。

d.監控中心和報警系統。利用具備診斷功能的軟、硬件對接收到的數據進行分析，根據設定的損傷模型，判斷損傷的發生、位置和程度，對結構的健康狀況進行評估，如果發現異常，則發出報警信息。

損傷識別、損傷分析和損傷預測是結構健康監測系統的核心功能和研究難點。目前，纖維增強樹脂基復合材料憑借著比強度、比剛度高，可設計性強，耐腐蝕性好等優點，在汽車輕量化中應用越來越多，但各向異性的特點使其結構的損傷和失效模式復雜多樣，因此纖維增強復合材料的損傷監測是亟待解決的問題。將智能材料自診斷、自傳感特性與損傷研究相結合，實現在線損傷識別和定位，利用智能材料的自修復性能完成結構初始損傷的修復，并將其應用于汽車等小型載運工具中以保障結構和乘員安全，是結構健康監測的重要發展方向。

4 智能材料在汽車領域的應用

因發展前景廣闊，歐美等國家的學者在20世紀80年代已開始進行智能材料在結構健康監測中的應用研究，并在飛機、汽車等領域嘗試使用。我國智能材料與結構健康監測結合的研究起步于20世紀90年代，經20多年的發展，取得了許多成果，推動了健康監測的應用。

在汽車工業中，智能材料的應用研究已經取得了很多成果，例如：形狀記憶材料用于進行電池管理、發動機溫度控制、車門解鎖等[53-54]；磁流變材料用于汽車減振器、碰撞吸能保護器件、發動機懸置等[55-57]。隨著汽車電子技術的發展，汽車的輪胎氣壓、發動機轉速、制動摩擦片溫度、電池組狀態等已經可以通過無線或者有線的方式實現監測[58-60]。對于傳統的內燃機動力鋼制汽車來說，經過多年的應用和試驗，鋼鐵材質的零部件在汽車工業中的設計和生產已經比較成熟，其安全性也得到了認可，所以傳統的汽車對結構健康監測技術幾乎沒有需求，導致汽車領域的健康監測研究很少。

但是，在安全、環保、輕量化和智能化已經成為汽車發展的目標和方向的背景下，以纖維增強復合材料、鋁合金、鎂合金等輕量化材料混合應用的電動車為代表的新型汽車快速發展，車架中異種材料連接處失效、傳動軸斷裂、電池箱破損等都可能造成災難性的后果[61-63]。國內外的一些高校、研究機構和汽車企業嘗試應用智能材料進行汽車結構健康監測的研究。德國寶馬汽車公司在某新型復合材料車身的研發階段，將壓電材料埋入復合材料結構中，用于監測其結構在制造和使用過程中的損傷[64]。Mitschang[65]等使用一種碳纖維線智能材料（IVW-CF）進行了汽車纖維增強復合材料板類零件的損傷監測研究，通過電阻的變化可以較準確地判斷損傷的程度。Medeiros[66]等提出并試驗驗證了一種基于振動分析和壓電智能傳感器的汽車復合材料氣瓶低速沖擊損傷健康監測方法。周偉等[67]使用光纖智能材料構建了分布式光纖智能夾層傳感網絡，進行了某輕型貨車車架在彎曲、扭轉工況下的應力應變變化監測研究，并與有限元分析結果進行了對比驗證。蘆吉云[68]采用光纖智能材料對該車型車架進行了振動和瞬時沖擊工況的監測研究。鄧國紅等[69]基于壓電陶瓷智能材料進行了汽車車身振動的監測和控制研究。

隨著汽車產業的發展，對于輕量化汽車，尤其是復合材料汽車來說，將智能材料的自傳感、自診斷特性與結構健康監測技術和損傷數值計算結合，形成如圖7所示的結構健康監測系統，既可以增強汽車的可靠性，又能提高其智能化水平，具有重要的工程價值和學術意義[70]。

圖7 汽車結構健康監測系統組成示意

5 結束語

智能材料除具備承受載荷的力學性能外，還有自傳感、自診斷、自調節和自修復功能，這些特性為結構健康監測研究提供了新的途徑。從國內外研究情況來看，智能材料可應用在汽車結構健康監測的4個方面：結構應力、應變、溫度、損傷、疲勞、腐蝕等信息的獲取與傳遞；結構的自適應，如損傷自愈合、溫度自調節、變形控制等；結構振動監測，減振與噪聲控制；能量收集和存儲。

由于智能材料和結構健康監測都是學科交叉性很強的研究領域，涉及材料、機械、力學、信號識別、自動控制、電磁學、計算機技術等學科，科研難度很大，目前相關研究僅處于初級階段，許多關鍵科學和技術問題有待深入研究。具體來說，未來研究工作可關注以下幾個方面：

a.制備大應變、大驅動力、高響應速度、低成本、性能穩定的新型智能材料，并將其應用于智能型傳感器與執行器的開發和制造；

b.開展智能材料力學及傳感性能的數值仿真研究，提出經濟高效的損傷量化方法；

c.建立適用于智能材料系統的仿生控制、模糊控制及神經網絡控制的自適應模型的理論及方法；

d.開發新型復合智能材料，并進行基體與智能材料界面的多尺度研究，以提高復合智能材料的耐久性與可靠性；

e.針對汽車承力結構件的連接處，尤其是碳纖維復合材料膠接結構，使用智能材料開發出占用空間更小，質量更輕的結構健康監測系統。

這些方面的研究，對于提高汽車的安全性和智能化水平、防止事故發生、降低維護成本等具有重要意義。

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