智能復合材料在航空領域的應用研究

李博 張爽

摘要：本文詳細闡述了智能復合材料的主要分類，包括壓電復合材料、形狀記憶復合材料和自愈合復合材料及其國內外的研究進展，同時介紹了智能復合材料在航空領域的應用研究。最后，指出了智能復合材料研究當前所面臨的一些挑戰性問題及其研究成果對航空領域的重要意義。

關鍵詞：智能復合材料;壓電復合材料;形狀記憶復合材料;自愈合復合材料;航空

過去在復合材料應用中基本全是結構復合材料，目前這一情況正隨著功能復合材料的出現而被改變，功能復合材料正在向多功能復合材料方向發展，使材料不僅是一種結構而且還具有功能或多種綜合功能[1]。未來也必將由多功能復合材料向智能復合材料的方向發展。

1 智能復合材料主要分類

智能復合材料通常是通過在成型過程中，將傳感材料和致動材料緊密地與復合材料相融合，使得材料具有可以通過自我診斷得出結論，并自主執行相應指令的能力。智能復合材料主要可分為壓電復合材料、形狀記憶復合材料和自愈合復合材料三類。

1.1 ?壓電復合材料

壓電復合材料是21世紀70年代出現的一種多用途功能復合材料。與傳統壓電陶瓷相比，壓電復合材料雖然在聲阻抗、密度、壓電常數方面存在劣勢，但其機電耦合系數卻出現大幅提高，且極大改善了壓電陶瓷易脆的缺點。目前壓電復合材料的研究重點是壓電纖維復合材料，主要分為以下3種：1-3型壓電纖維復合材料、AFC（Active Fiber Composite）和MFC（Macro Fiber Composite）。

1.2 ?形狀記憶復合材料

形狀記憶復合材料具備形狀記憶功能，優點是可恢復應變大、低密度、高比強度和比剛度等。形狀記憶復合材料是基于內部分子間的相互作用即聚合物材料中分子鏈的取向與分布，而非馬氏體相變實現的。形狀記憶復合材料可以采用常規的復合材料工藝制造，固化成型后的力學性能與普通高性能復合材料相當，當溫度高于其玻璃化轉變溫度時，材料出現低模量和高破壞應變性能，可根據設計要求卷曲折疊，當溫度低于玻璃化轉變溫度后材料形狀保持不變。當溫度再次高于其玻璃化轉變溫度時，由于材料的聚合物基體具有記憶功能，材料再次恢復至首次成型時的形狀，該過程無需施加任何外力，可反復進行，對材料性能無影響。

從20世紀90年代后期開始，國外研究學者對形狀記憶復合材料進行大量研究，目前取得了諸如柔性可展太陽翼、天線柔性反射面、可變形機翼等應用進展[2-4]。國內哈爾濱工業大學選用Veriflex作為基體材料、T300碳纖維織物作為增強基材料，研制出形狀記憶鉸鏈（SMPC），該材料避免傳統的形狀記憶聚合物強度性能低，容易出現纖維疲勞的缺點，材料可獲得高應變性能，試驗表明SMPC的可展開結構性能良好[5]。

1.3 ?自愈合復合材料

航空領域非常關注材料的耐損傷性。在外界應力等環境因素的影響下，材料無法避免會出現裂紋等損傷情形，損傷會造成材料性能下降，直至材料失效。通過機械連接、膠接等傳統修理方法僅能修復可見的裂紋損傷，對于材料內部的微觀損傷無法進行修復，因此需要研究能夠提高復合材料整體性能并且安全可靠的修理方法。

自愈合復合材料能夠主動修復未被檢測到的微小損傷，避免破壞結構完整性的現象發生。目前，自愈合復合材料主要分為三維脈管網絡、微膠囊和中空纖維自愈合復合材料三類。

1.3.1 ?三維脈管網絡自愈合復合材料

三維脈管網絡自愈合復合材料的自愈合方式是通過當材料受到擠壓或損壞時材料內部能夠釋放修復劑，對受損處的微小裂縫進行修復。應用該材料技術的航空器能夠通過修復劑的釋放自動修復飛行過程中出現的各類輕微損傷。

2014年位于美國伊利諾伊大學厄巴納-尚佩恩分校的研究團隊成功研發出一種具有三維脈管網絡的自愈合材料，復合材料在使用過程中出現的分層以及細微裂紋的問題有望得到解決[6]。

1.3.2 ?微膠囊自愈合復合材料

2001年關于微膠囊自愈合復合材料的信息被首次發表在《Nature》雜志上。微膠囊自愈合技術是通過在基體材料中植入催化劑和含有愈合劑的微膠囊，當基體材料出現微裂紋時微膠囊破裂，通過毛細管虹吸作用，膠囊內的愈合劑進入裂紋面與分散在基體中的催化劑產生聚合從而對裂紋進行修復[7]。航空領域中應用的該類微膠囊需要具備密封性以及熱穩定性良好等特點。

1.3.3 ?中空纖維自愈合復合材料

中空纖維自愈合方法是歐洲太空總署提出的概念，其修復機理是在基體材料中埋植含有類似粘合劑的未固化樹脂和固化劑流體的中空纖維，當材料受到低沖擊載荷損傷時，中空纖維內的修復劑流體被釋放，對裂紋進行粘接使損傷區域自愈合[8]。

中空纖維自愈合技術的優點是含有的修復劑含量足夠對損傷進行修復，在不同固化機制的樹脂中均可填充，中空纖維容易和傳統的增強纖維進行混合和調整;目前存在的缺點是必須通過纖維的斷裂才能釋放修復劑，必須填充低黏度的樹脂才能浸潤基體，碳纖維增強復合材料中由于添加中空纖維導致熱膨脹系數的不匹配，生產制造過程較為復雜。

目前，利用自愈合技術修復復合材料沖擊損傷的方法已經得到了一些應用。Trask等人分別將樹脂和固化劑填充于中空心纖維植入復合材料中，通過模擬沖擊損傷試驗，復合材料的損傷區域能夠獲得自愈合修復[9]。楊紅等人在復合材料中植入灌注有修復劑膠液的液芯光纖，制備出兼具自診斷和自修復功能的智能復合材料，最終通過試驗測試發現，自修復后材料的拉伸性能可以恢復至初始值的1/3，壓縮性能可以恢復至初始值的2/3以上[10]。

自愈合復合材料使得材料自身對內部或者外部損傷能夠進行自修復或自愈合，從而消除隱患，延長材料的使用壽命，其在軍工、航空航天等領域具有巨大的應用前景。

2 智能復合材料在航空領域的應用

2.1 ?智能旋翼

旋翼是直升機能夠實現飛行并同其它航空器進行區別的主要部件，目前智能復合材料在直升機領域中應用的最重要方向是智能旋翼。國外在智能旋翼方面的研究主要有槳葉主動襟翼/后緣揮舞控制、槳葉主動扭轉、智能槳尖控制等技術。例如，通過在槳葉中植入壓電材料，利用它對電壓的響應迅速特征，槳葉扭轉形狀可獲得周期性改變，以及通過驅動襟翼運動來實施對槳葉的操控，從而替代傳統的鉸鏈、拉桿等機械結構。

美國奧本大學[11]研究開發出一種具備主動控制的自適應直升機旋翼，該旋翼可通過安裝在槳根上、下表面的壓電材料板的變形來改變旋翼的槳矩。試驗表明，該旋翼槳葉的變矩可達到從-4°至+12°，與鉸接式旋翼相比，直升機機動性可提高15%-30%，并且可以簡潔、迅速地進行操作;與無軸承式旋翼相比，采用這種主動控制技術的旋翼可使雷達反射截面被有效減少，獲得更佳的隱身性能;風洞試驗表明，直升機的阻力及功率損耗被有效降低。再如，通過在槳葉大梁中植入形狀記憶合金的驅動裝置，可明顯降低槳葉根部至槳尖的扭矩，直升機的懸停效率得到明顯改善。利用上述技術可以使結構設計得到簡化，極大提高旋翼的效能，獲得質量更輕、操作更簡單、氣動效果更優異的旋翼，直升機的飛行品質及操縱品質能夠得到極大地提高。

2.2 ?自適應機翼

使用智能復合材料制造的自適應飛機機翼，能夠根據感知的外界環境變化，主動驅動機翼產生彎曲、扭轉現象并且可以改變翼型，獲得最佳的氣動特性。該技術可以大大減輕結構重量，提高響應速度和減小轉彎半徑，以及獲得雷達散射截面減少，增大升阻比等優點。

美國通過在復合材料中應用形狀記憶合金，研發出了夾芯結構樹脂基復合材料的“柔性機翼”，該機翼可在各種飛行速度下自動保持最佳翼型，飛行效率得到提高，并且還能自行抑制出現的危險振動[12]。

2.3 ?變彎度機翼

哈爾濱工業大學在變后緣彎度機翼上設計應用形狀記憶復合材料蒙皮，通過在蒙皮中預埋金屬彈簧絲，當金屬絲通電時，形狀記憶復合材料被加熱，當溫度升高超過其玻璃化轉變溫度時，電機驅動機翼后緣變形;當降低溫度時，蒙皮剛度重新得到增大，能夠滿足承受氣動載荷要求，通過將光纖光柵傳感器貼于中心金屬板上表面，測量應變情況實時監測機翼后緣變形參數，風洞實驗表明，通過后緣彎度的變化，升力系數和升阻比均獲得有效提高[13]。同時，哈爾濱工業大學還提出使用氨綸纖維可以讓材料性能得到提升，為形狀記憶復合材料的進一步應用提供理論基礎。

3 智能復合材料研究存在的問題

智能復合材料是目前航空材料研究的一個熱點分支，它能夠克服材料自身的局限性，獲得更優異的材料性能，具有巨大的發展和應用前景，但目前對其研究還存在著諸多問題。

壓電復合材料雖然能夠克服常用的壓電材料如壓電陶瓷脆性大、密度高，壓電薄膜使用溫度低、壓電性能不佳等缺點，但對于如何改善壓電復合材料的加工性能、材料性能等問題還需要進一步研究;形狀記憶復合材料的變形能力與疲勞測試體系依然需要更加深入的研究探索;對于如何提高自愈合復合材料的可靠性以及工程實際應用方面仍需進一步的研究與試驗驗證，同時需要加大自愈合復合材料在高溫下應用的研究。

另外，材料復合化的相容性問題、結構的微型化問題以及提高材料的力學性能問題都是亟待解決的，這些問題都制約了目前智能復合材料在航空領域中的大規模應用。

4 結束語

武器裝備升級的基礎是材料科學的提升，而先進材料的研發應用更是目前世界各國的研究熱點。智能復合材料同時具有結構材料和功能材料的雙重特性，雖然目前該技術更多的是處于實驗室的試驗研究階段，但未來智能復合材料的應用發展必將極大的影響飛行器的結構設計方案并使飛行器的飛行性能得到極大提升，對推動發展航空技術具有重大意義。

參考文獻：

[1] 吳人潔. 復合材料的未來發展[J].機械工程材料，1994，18（1）： 16-20.

[2] CAMPBELL D， RORY B， LAKE M S， et al. Development of a novel， passively deployed roll-out solar array[C]//Aerospace Conference. IEEE， 2006.

[3] LIN J K， AGNES G S， ABELSON R D， et al. Ultra lightweight isogrid boom space experiment （ultraboom） systems design[C]// Proceedings of the 46th AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures， Structural Dynamics， and Materials Conference， 2005.

[4] IM E， THOMSON M， FANG H， et al. Prospects of large deployable reflector antennas for a new generation of geostationary Doppler weather radar satellites[C]// Proceedings of AIAA SPACE 2007 Conference and Exposition. Long Beach， 2007.

[5] LAN X， LIU Y， LV H， et al. Fiber reinforced shape-memory polymer composite and its application in a deployable hinge [J]. Smart Materials and Structures， 2009， 18（2）： 024002.

[6] PATRICK J F， HART K R， KRULL B P， et al. continuous self‐healing life cycle in vascularized structural composites [J]. Advanced Materials， 2014， 26（25）： 4302-4308.

[7] WHITE S R ， SOTTOS N R ，GEUBELLE P H， et al. Autonomic healing of polymer composites[J]. Nature， 2001， 409（6822）：794-797.

[8] DRY C M. Smart building materials which prevent damage or repair themselves[C]// Proceedings of the MRS Proceedings. Cambridge： Cambridge University Press， 1992.

[9] TRASK R S ， WILLIAMS G J ，BOND I P. Bioinspired self-healing of advanced composite structures using hollow glass fibres [J].Journal of the Royal Society Interface， 2007，4（13）： 363-371.

[10] 楊紅，粱大開，陶寶棋，等. 光纖智能結構自診斷、自修復的研究[J].功能材料，2001，32（4）： 419-421.

[11] 裴鑫，李輝，楊而蒙.智能材料在直升機上的應用[J].中國科技信息，2009（1）： 121-122.

[12] 錢開耘，陳英碩，王蒙.飛航導彈先進材料技術[J].工藝與材料，2009（2）： 55-58.

[13] 冷勁松，孫健，劉彥菊.智能材料和結構在變體飛行器上的應用現狀與前景展望[J].航空學報，2014，35（1）： 1-15.