智能材料在航空工業中的應用和發展建議

段東升

摘 ? 要：隨著航空工業的發展，為了使材料實現結構的功能化和多樣化，智能材料技術應運而生。智能材料是一種新型的多功能材料，其作為傳感器和驅動器在航空領域得到廣泛應用。智能材料具有連接、感知、自診斷、自修復的功能，可以在外界高溫差、強震動等復雜的環境中，有效提升執行任務的航空器結構的安全性能。本課題旨在通過國內外研究的現狀，探究智能材料在航空工業領域研發中存在的問題，提出關于智能材料未來發展的建議。

關鍵詞：智能材料 ?智能結構 ?應用 ?問題

中圖分類號：V259 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）02（b）-0012-02

具有傳感、連接、驅動和控制功能的智能結構化的材料，我們通常稱之為智能材料。智能材料是材料科學中最為活躍的一個發展和研究的前沿領域。智能材料結構在航空領域具有十分重要的應用前景，廣泛運用在智能蒙皮、飛行狀態監測、直升飛機旋翼輪葉、翼面的彈性氣動設計、能夠實現精確控制的智能結構等方面。本課題旨在通過智能材料的研究背景和現狀，分析航空航天領域智能材料結構研發中存在的問題，對航空航天智能材料未來研發的方向提出建議。

1 ?智能材料的研究背景和現狀

智能材料的概念是日本高木俊宜教授1989年11月首次提出的。日本、美國、和歐洲等發達國家非常重視重視，在材料研究領域掀起了一場科研競賽。智能材料的初始想法受到仿生學的啟發，譬如模仿鳥類的飛行制造飛行器，初始理念是想研制一種材料，使其具有類似生物的“活”的功能，具備感知、驅動和控制這3個基本要素。但是現有研發的材料絕大部分難以同時滿足條件，隨著研究工作的深入開展，可以用作智能材料的種類在不斷擴大，目前我們對于智能材料的分類只能是粗淺的。我們通常按智能材料的用途分為兩類：一種是可以感知外界刺激的智能材料，譬如說具有一定的形狀記憶的材料、具有機械能向電能轉化的材料、具有機械能向磁能轉化的材料;另一種是具有磁磁相互轉化和磁電相互轉化的功能，可以隨著外部環境或者外部的狀態而生成的材料，利用智能復合材料的這種特性，我們通常讓其擔當執行器的角色。

1.1 壓電型智能材料

我們把機械能與電能相互轉化的智能型的材料，統稱為壓電型智能材料。壓電型智能材料在航空航天領域通常用作傳感驅動和振動控制。同時壓電材料還可以承受復雜的高溫環境，保障相應的機械能和電能可以相互轉化。

1.2 鐵磁型智能材料

在應用過程中，鐵磁型智能材料通常可以實現機械能與磁能的不斷轉化。形成磁致伸縮效應。磁致伸縮正效應可以使磁場中的材料產生變形，我們把它用作驅動器;磁致伸縮逆效應可以使變形后的材料發生產生磁場，我們可以把它用作傳感器;利用磁致伸縮正逆耦合的智能效應，我們可以把它用作感知控制、驅動性的材料器件。

1.3 形狀記憶型智能材料

某些材料，在高溫下發生一定的形變，在回溫的時候，回溫狀態下發生塑性形變，若再次加熱至高溫狀態，材料就會恢復到初始狀態，這種現象我們稱為形狀記憶效應。形狀記憶型智能材料，就是具有一定初始物理形狀的材料，通過溫變、激光或電壓等的刺激，可以恢復成形變前的材料形狀。

1.4 智能型復合材料

由于自身的局限性，智能材料本身往往難以同時滿足驅動、傳感和控制的“生物”功能。智能型復合材料可以克服其本身存在的局限性，更好地拓展智能材料的效能。20世紀80年代開發出了一種多功能的復合材料，其對聲音具有一定的阻抗密度和壓力系數相對來說較低，彌補壓電陶瓷材料易碎的弱點，保障壓電纖維復合材料施展效能。鐵磁復合材料也是智能復合材料的一種，其具有集合體電和鐵磁的特點，通過磁的相互轉化或者有磁電的相互轉化的方式，可以產生特殊的電磁轉化效應。智能型復合材料的作用顯著，在磁場感應器領域的應用較為廣泛。

1.5 光纖智能材料

光纖智能材料，通常可以制作成各式各樣埋入式的光纖材料傳感器，實時監測復合材料制造過程;監測航空器結構所處的狀態;利用光纖神經網絡處理器可以對智能材料結構進行感知和監測。

2 ?智能材料結構的研發概況

智能材料結構是將控制器、驅動器和傳感器進行復合裝聯，目的是保證整個智能結構具有感知和控制的功能，同時保證具有自我檢測、自我修復的作用。近幾年，研發人員已經跨越基礎性的探索，智能材料的研究在基本原理、復合型智能材料匹配技術工藝、智能材料加工工藝技術、智能材料復雜環境下的可靠性評價、智能控制器件和效能器件等諸多方面進入到預研和開發階段。

2.1 自我檢測型智能結構

自我檢測型智能結構，根據自身結構的狀況，可以實時感知自身動態，從而制定應對策略和自我維護。具有自我檢測功能的材料結構通常采用復合智能型材料。例如超聲波智能材料通過自我檢測實驗，可以發現受損或疲勞的細小裂縫，自我監測超聲波材料的受損或疲勞的程度，對于超聲波傳感器的運行可靠性意義重大，及時的研發可以提高材料損傷的診斷。

2.2 自修復智能材料

飛行材料執行任務的壽命具有一定的期限。維護和檢修的費用非常高，高達整個制造材料的50%。飛行器在使用過程中由于復雜環境、高溫差和震蕩，都會導致復合材料疲勞、受損，存在一定的裂紋。同時如果異物進入了復合材料結構的間隙，就會降低復合材料的效能，影響材料的可靠性。目前，復合材料的損傷修復是一大難題，常用的修復方法并不是很理想。怎么解決材料內部維修的難題，借鑒生物損傷自愈性的啟發，我們可以用于智能結構的研究。

3 ?智能材料研究中存在的問題和發展建議

智能材料是未來航空航天材料研究的熱點課題，發展和應用前景非常廣闊。未來的研發中存在的問題也很多，譬如智能材料實現復活化，排異性就會增大，同時，復合材料的加工技術工藝也面臨許多難題。如何提升材料的力學性能，如何應對航天空航天領域的復雜環境，這些問題都是智能材料研發過程中需要突破的難題。

智能材料是一種新型的科學應用，在信號技術、傳感技術、驅動技術、微電子技術等多個領域需要協作推進，聯合攻關。但是難度也不是特別大，智能結構對于降低噪音、實現自診斷、自修復等功能前景廣闊，對于保障飛行器安全性具有十分重要的意義。

航空航天飛行器執行的都是復雜環境的任務。面對高溫、高壓和震蕩等復雜環境，在使用的過程中的可靠性尤為重要，而且智能材料的飛行器結構在運行過程中，信號處理的部分已經非常成熟。但是智能系統還需要繼續不斷地研發，自我修復功能還處于研發過程的實驗階段，需要繼續攻關。針對材料和飛行器整體的安全性能的問題，建議未來智能材料的研究，以開發新型的智能材料設計為突破口、研發新型的傳感器、控制器實現對于復雜環境問題的補償。

參考文獻

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