智能复合材料研究进展

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1、15智能复合材料研究进展智能复合材料研究进展材硕113班（0301110546）王鸿摘要：智能复合材料是拟人化的高科技材料，它能根据设计者的思路要求实现自检测、自诊断、自调节等各种特殊功能。文章介绍了智能复合材料的原理、组成，分析了几种智能复合材料如：压电复合材料、形状记忆合金、光纤材料、电流变体等的开发研究概况及其在纺织品中的应用。关键词：智能复合材料，形状记忆合金，智能纺织品1引言智能复合材料是一类基于仿生学概念发展起来的高新技术材料，它实际上是集成了传器、信息处理器和功能驱动器的新型复合材料。其通过传感器感知内外环境状态的变化，将变化所产生的信

2、号通过信息处理器做出判断处理，并发出指令，而后通过功能驱动器调整材料的各种状态以适应内外环境的变化，从而实现自检测、自诊断、自调节、自恢复、自我保护等多种特殊功能类似于生物系统。智能复合材料是微电子技术、计算机技术与材料科学交叉的产物，在许多领域展现了广阔的应用前景，如机械装置噪音与振动的自我控制等，飞机的智能蒙皮与自适应机翼，桥梁与高速公路等大型结构的自增强、自诊断自修复功能，以及各种智能纺织品。2智能复合材料的主要种类和应用2.1产业领域2.1.1形状记忆合金纤维增强智能复合材料[1]SMA应用于智能复合材料主要由于其具有形状记忆效应(SME)和

3、超弹性。最典型的SMA是NiTi合金，它感应灵敏度高，微应变大，可回复应力大，致动机理简单(驱动器只需SMA一种材料，可拉成纤维或丝状)，有良好的感应和驱动性能。SMA从功能上概括主要有如下应用。1)材料的增强。埋有SMA的复合材料结构中的SMA被激励时将对整个结构的性能产生较大的压应变，如将SMA丝合理地布置于结构中可显著增强复合材料的强度：而且有资料表明在SMA丝的体积分数不变的情况下，将其适当排列，可提高复合材料的抗低速冲击性能。2)变形控制与结构损伤的探测、抑制与修复。美国应用SMA制成了夹心结构树脂基复合材料用于“柔性机翼”，15智能复合材

4、料研究进展该机翼在各种飞行速度下自动保持最佳翼型，大幅度提高飞行效率，并可对出现的危险振动自行抑制；将适量NiTi合金纤维铺于环氧树脂基体中制成智能复合材料(SMC)。当SMC发生裂纹时，借助NiTi合金的电阻应力波的变化诊断材料的损伤，同时由于通电加热产生形状记忆收缩力，使裂纹收缩，使SMC自动愈合。3)结构噪声与振动的主动控制。美国人在建筑物的合成梁中埋植形状记忆合金纤维，在热电控制下，能像人的肌肉纤维一样产生形状和张力的变化，从而根据建筑物受到的振动改变梁固有刚性和固有振动频率，减小振幅，使框架结构的寿命大大延长。4)生物仿生。例如，基于仿生复

5、合材料的概念，利用NiTi材料在生物体中易于生物亲和的特性，将其埋入低硬度的硅基材料中，模仿生物组织结构。2.1.2光导纤维智能复合材料光纤智能复合材料[2]是目前国内外研究较多的一种智能材料结构，它将光纤传感器和驱动器以及有关信号处理器和控制电路集成在复合材料结构中，通过机、光、电、热等激励和控制，不仅具有承受载荷的能力，而且具有识别、分析、处理及控制等多种功能，能进行自诊断、自适应、自学习、自修复的材料结构。将光纤进行处理后埋入复合材料结构中，可以对复合材料在制作过程中的内部温度的变化以及树脂填充情况进行监测，在结构制作完成后，埋置于其中的光纤可

6、以对复合材料结构进行非破损检测，还可以作为永久的传感器实现对复合材料结构终生健康监测，另外光纤传感器还可用于飞行器隐形。主要应用有以下几点：（1）固化监测一个潜在广阔的应用领域就是利用埋入在复合材料中的光纤传感器对材料内部的固化情况进行全面有效的监测，同时基于监测信号实时调整工艺过程，就可以保证产品的质量。光纤对复合材料在固化过程中达到最佳状态，不但可以提高复合材料的层间性能，且基体还可以有效地传递应力，提高增强纤维的强度转化率，提高复合材料成形工艺过程的效率，降低成本。（2）非破坏检测埋入在复合材料中的光纤传感器不但可以用来监测材料内部的固化情况，

7、而且可以用来在材料制造完成后对材料进行非破坏检测。（3）结构的健康监测埋入在复合材料中的光纤传感器除了可用来固化监测和非破坏检测外,15智能复合材料研究进展还可以用来对复合材料结构在服役期间进行健康监测，随时报告材料结构所处的状态,这是光纤传感技术在复合材料应用中最重要的方面。早在1991年美国波音集团就提出智能构件健康监控系统(SHMS)，该系统利用光纤传感器监测飞行器结构中疲劳、裂纹、温升、开胶等情况，以保证飞行器以高安全性，低成本、低维修性飞行。随后波音公司建立了世界上首架含有光纤的机翼前缘。健康监测评估系统原型，冲击过载实验表明埋入光纤进行健

8、康监测评估是可行的。麦道公司正在研究智能蒙皮因损伤和疲劳引起的降质方式，并将对带有智能蒙皮的飞机进行试飞，以