智能材料结构在航空领域中的应用

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1、智能材料结构在航空领域中的应用将具有仿生命功能的材料融合于基体材料中，使制成的构件具有人们期望的智能功能，这种结构称为智能材料结构。智能材料结构的核心思想是将传感元件和驱动元件、微电子处理控制芯片与主体结构材料集成为一个整体，通过机械、热、光、化学、电、磁等作用，提取结构信息，经过处理后形成控制激励，改变结构的形状、运动状态、受力状态等。这使得结构不仅具有承受载荷的能力，还具有识别、分析、处理及控制等多种功能，并能进行数据的传输和多种参数的检测，包括应变、损伤、温度、压力、声音、光波等；而且具有主动改变材料中的应力分布、强度、刚度、形状、电磁

2、场、光学性能等多种功能；从而使结构材料本身具有自诊断、自适应、自学习、自修复、自增殖、自衰减等能力。智能材料结构在航空领域获得了广泛的应用和发展，智能蒙皮、自适应机翼、振动噪声控制和结构健康监测是智能材料结构在飞行器上的典型应用。功能材料与器件在智能材料结构中，功能材料（器件）占有非常重要的地位，是智能材料结构的基础。功能材料（器件）主要包括传感材料（器件）和驱动材料（器件）2部分。1传感材料（器件）用作传感材料（器件）的主要有光纤、压电材料、电阻应变丝、碳纤维等。光纤传感器的基本原理是将光源的光输入光纤，并经光纤传输至调制区，在调制区内，外

3、界被测参数（如温度、应力等）与进入调制区的光相互作用，使光的光学性质，如强度、波长、频率、相位等参数发生变化，形成被调制的信号光，再经光纤送入光探测器、解调器从而获得被测参数。使用光纤传感器，可以实时地测量机体结构的应力、应变、温度等物理量。光纤传感器体积小，易于和基体结构集成，抗电磁干扰性强、测量精度高、频率响应高，是智能材料结构较早采用的传感元件之一。但是光纤传感器抗剪能力差，设备体积大，成本高。压电材料具有直接的机电转换性能，既可以用作传感元件，也可以用作驱动元件，在智能材料结构领域获得了广泛的应用。压电传感元件主要有压电陶瓷和PVDF

4、压电薄膜。（1）压电陶瓷传感器响应速度快、结构简单、频响范围宽、所需能量小，但是脆性大、不耐冲击，容易影响基体材料性能，因此，压电陶瓷的使用受到了一定的限制。（2）PVDF薄膜是一种具有压电效应的高分子聚合物薄膜，柔韧性极好、耐腐蚀，最小厚度只有几微米，可以做成任意形状，与基体结构容易结合。但是，PVDF薄膜使用温度范围小，和基体材料的结合强度也小。最近几年刚发展起来的含金属芯压电陶瓷纤维有效地克服了传统压电陶瓷传感元件的缺点，有望在智能材料结构中获得很好的应用。含金属芯压电陶瓷纤维的结构呈圆柱形，金属芯位于纤维的中心位置，外面包裹着一层压电

5、陶瓷，在纤维的表面喷镀金属层。金属芯既能改善陶瓷的脆性，增加陶瓷的强度，又能用作一个电极，纤维表面的金属层可以用作另一个电极，这样，单根含金属芯压电陶瓷纤维就可用作传感器或驱动器。含金属芯压电陶瓷纤维的直径只有200～400μm，长度根据需要可以制作成10～50mm，由于结构尺寸细小，可以很方便地植入基体结构中，对基体结构的性能影响很小。此外，智能材料结构采用的传感元件还包括电阻应变丝、碳纤维、疲劳寿命丝和半导体传感元件等，但是对它们的研究和应用较少。2驱动材料（器件）在智能材料结构中用作驱动元件的功能材料（器件）主要有压电材料、形状记忆合金

6、、磁流变材料、电流变材料等。在压电元件上施加电压时，由于逆压电效应，压电元件在电场作用下产生变形，驱动基体结构产生变形或使应力状态发生变化。压电驱动器的主要特点是响应速度快、所需能量小、使用方便，主要缺点是应变小。为了解决这一问题，近年来发展了压电纤维复合材料，包括AFC(ActiveFiberComposites)和MFC(Macro-FiberComposites)。与传统的压电陶瓷相比，压电纤维复合材料的应变要大很多，还可以用于曲面，扩大了压电元件的使用范围。形状记忆合金是智能材料结构中最先应用的一种驱动元件，它的特点是具有形状记忆效应

7、：首先将形状记忆合金在高温下定形后冷却至低温，然后对材料加载至发生塑性变形后卸载，使它存在残存应变，如果再加热到一定温度以上，材料又将恢复到未变形前的形状。利用这个效应，将形状记忆合金埋入基体结构，通过激励形状记忆合金，就可以使结构具有智能性。形状记忆合金驱动器的特点是变形量大、驱动力大、易于和基体结构结合、可以产生多种形式的变形，缺点是激励时需要较大的能量、响应速度慢。磁流变材料和电流变材料分别是利用磁场和电场的变化，使材料流动特性发生变化，是2种重要的功能流体，已经在结构的减振中得到了应用。缺点是需要高磁场和高电场，性能不稳定，所需设备体

8、积较大。智能材料结构在航空领域的典型功能实现最早开展智能材料结构研究的就是航空领域。随着航空科学技术的飞速发展，对飞行器的结构提出了轻质、高可靠性、高维护性、高生存