智能復合材料與結構.ppt

1 第3章智能復合材料 ICM 與結構3 1概述定義 智能復合材料 IntelligentCM SmartMaterials 與結構是在復合材料基礎上發(fā)展起來的一項高新技術 它是一種由傳感器 信息處理器和功能驅動器等部分構成的新型復合材料 不同于結構材料和功能材料 它能通過自身的感知 獲取外界信息 作出判斷和處理 發(fā)出指令 具有執(zhí)行和完成功能 所以單一材料不可能實現(xiàn) 往往要由多種材料組元復合構成 智能復合材料是信息科學融入材料科學的產(chǎn)物 2 智能復合材料結構是一類集成有傳感元 驅動元的主動材料系統(tǒng) 除了具有感知 驅動功能外 還同時具有自動控制和計算學習的功能 這種基于仿生學概念發(fā)展起來的最先進的復合材料 能夠適時地感知和調整材料的各種狀態(tài) 以適應內外環(huán)境的變化 實現(xiàn)自檢測 自診斷 自調節(jié) 自恢復 自我保護等多種特殊功能 3 具體來說智能材料需具備以下內涵 1 具有感知功能 能夠檢測并且可以識別外界 或者內部 的刺激強度 如電 光 熱 應力 應變 化學 核輻射等 2 具有驅動功能 能夠響應外界變化 3 能夠按照設定的方式選擇和控制響應 4 反應比較靈敏 及時和恰當 5 當外部刺激消除后 能夠迅速恢復到原始狀態(tài) 智能材料又可以稱為敏感材料 其英文翻譯也有若干種 常用的有Intelligentmaterial Intelligentmaterialandstructure Smartmaterial Smartmaterialandstructure Adaptivematerialandstructure等 4 智能材料的構想來源于仿生 仿生就是模仿大自然中生物的一些獨特功能制造人類使用的工具 如模仿蜻蜓制造飛機等等 它的目標就是想研制出一種材料 使它成為具有類似于生物的各種功能的 活 的材料 因此智能材料必須具備感知 驅動和控制這三個基本要素 但是現(xiàn)有的材料一般比較單一 難以滿足智能材料的要求 所以智能材料一般由兩種或兩種以上的材料復合構成一個智能材料系統(tǒng) 這就使得智能材料的設計 制造 加工和性能結構特征均涉及到了材料學的最前沿領域 使智能材料代表了材料科學的最活躍方面和最先進的發(fā)展方向 5 智能材料的特征因為設計智能材料的兩個指導思想是材料的多功能復合和材料的仿生設計 所以智能材料系統(tǒng)具有或部分具有如下的智能功能和生命特征 1 傳感功能 Sensor 能夠感知外界或自身所處的環(huán)境條件 如負載 應力 應變 振動 熱 光 電 磁 化學 核輻射等的強度及其變化 2 反饋功能 Feedback 可通過傳感網(wǎng)絡 對系統(tǒng)輸入與輸出信息進行對比 并將其結果提供給控制系統(tǒng) 6 3 信息識別與積累功能能夠識別傳感網(wǎng)絡得到的各類信息并將其積累起來 4 響應功能能夠根據(jù)外界環(huán)境和內部條件變化 適時動態(tài)地作出相應的反應 并采取必要行動 5 自診斷能力 Self diagnosis 能通過分析比較系統(tǒng)目前的狀況與過去的情況 對諸如系統(tǒng)故障與判斷失誤等問題進行自診斷并予以校正 7 6 自修復能力 Self recovery 能通過自繁殖 自生長 原位復合等再生機制 來修補某些局部損傷或破壞 7 自調節(jié)能力 Self adjusting 對不斷變化的外部環(huán)境和條件 能及時地自動調整自身結構和功能 并相應地改變自己的狀態(tài)和行為 從而使材料系統(tǒng)始終以一種優(yōu)化方式對外界變化作出恰如其分的響應 8 分類 復合材料智能結構分為被動控制式和主動控制式兩類 被動控制式智能結構低級而簡單 亦稱為機敏結構 只傳輸傳感器感受到的信息 如應變 位移 溫度 壓力和加速度等 結構與電子設備相互獨立 9 主動控制式是一種智能化結構 具有先進而復雜的功能 能主動檢測結構的靜力 動力等特性 比較檢測結果 進行篩選并確定適當?shù)捻憫?控制不希望出現(xiàn)的動態(tài)特性 10 智能復合材料的構成 1 基體材料 基體材料主要起承受載荷的作用 一般選用輕質材料 其中高分子材料因重量輕 耐腐蝕等優(yōu)點而受到人們的重視 也可選用金屬材料 尤其以輕質有色合金為主 2 傳感器部分 敏感材料 傳感器部分由具有感知能力的敏感材料構成 它的主要作用是感知環(huán)境的變化 如溫度 壓力 應力 電磁場等 并將其轉換為相應的信號 這種材料有形狀記憶合金 壓電材料 光纖 磁致伸縮材料 致伸縮材料 電致變色材料 電致粘流體 磁致粘流體 液晶材料 功能梯度材料和功能塑料合金 11 3 驅動器部分 構成驅動器部分的驅動材料如形狀記憶合金 磁致伸縮材料 致伸縮材料 電致伸縮材料等 在一定的條件下可產(chǎn)生較大的應變和應力 從而起到響應和控制的作用 可以根據(jù)溫度 電 磁 場等的變化而改變其形狀 尺寸 位置 剛性 自然頻率 阻尼以及其它一些力學特征 因而可具有對環(huán)境的自適應功能 4 信息處理器部分 信息處理器部分是智能復合材料的最核心部分 隨著高度集成的硅晶技術的發(fā)展 信息處理器也變得越來越小 這就為將信息處理器復合進智能復合材料提供了良好的條件 12 13 應用 由于復合材料的可設計性強 加之智能結構與先進復合材料的制造方法相同 因此可根據(jù)實際應用情況的需要 重新將已用于航空航天等結構中的復合材料部件進行智能化處理 這樣可從根本上解決復合材料構件其結構運行中出現(xiàn)的較難克服的問題 如振顫 應力集中 損傷檢測等 14 在軍事領域中的應用智能材料結構不僅象一般功能材料一樣可以承受載荷 而且它還具有了其他功能材料所不具備的功能 即能感知所處的內外部環(huán)境變化 并能通過改變其物理性能或形狀等做出響應 借此實現(xiàn)自診斷 自適應 自修復等功能 所以 智能材料在軍事應用中具有很大潛力 它的研究 開發(fā)和利用 對未來武器裝備的發(fā)展將產(chǎn)生重大影響 15 目前 在各種軍事領域中 智能材料的應用主要涉及到以下幾個方面 1 智能蒙皮例如光纖作為智能傳感元件用于飛機機翼的智能蒙皮中 或者在武器平臺的蒙皮中植入傳感元件 驅動元件和微處理控制系統(tǒng)制成的智能蒙皮 可用于預警 隱身和通信 目前美國在智能蒙皮方面的研究包括 美國彈道導彈防御局為導彈預警衛(wèi)星和天基防御系統(tǒng)空間平臺研制含有多種傳感器的智能蒙皮 美空軍萊特實驗室進行的結構化天線 即把天線與蒙皮結構融合在一起 研究 美海軍則重點研究艦艇用智能蒙皮 以提高艦艇的隱身性能 16 2 結構監(jiān)測和壽命預測智能結構可用于實時測量結構內部的應變 溫度 裂紋 探測疲勞和受損傷情況 從而能夠對結構進行監(jiān)測和壽命預測 例如 采用光纖傳感器陣列和聚偏氟乙烯傳感器的智能結構可對機翼 機架以及可重復使用航天運載器進行全壽命期實時監(jiān)測 損傷評估和壽命預測 空間站等大型在軌系統(tǒng)采用光纖智能結構 可實時探測由于交會對接碰撞 隕石撞擊或其他原因引起的損傷 對損傷進行評估 實施自診斷 17 3 減振降噪智能結構用于航空 航天系統(tǒng)可以消除系統(tǒng)的有害振動 減輕對電子系統(tǒng)的干擾 提高系統(tǒng)的可靠性 如美國防高級研究計劃局資助波音公司研制的直升機智能結構旋翼葉片 可以改善旋翼的空氣動力學性能 減小振動和噪音 智能結構用于艦艇 可以抑制噪聲傳播 提高潛艇和軍艦的聲隱身性能 智能結構用于地面車輛 可以提高軍用車輛的性能和乘坐的舒適度 國外正在研究的具有減振降噪功能的智能結構 主要由壓電陶瓷 形狀記憶合金和電致伸縮等新材料制成 18 4 環(huán)境自適應結構固定翼飛機在起飛和降落時需要升降副翼 在遇有陣風等情況時 飛機翼片的受力分布將發(fā)生變化 從而不能始終保持最佳升力 阻力比 這些顯而易見的事實都說明飛機在不同的飛行狀態(tài)和飛行條件下需要不同的機型和翼型 19 智能結構制成的自適應機翼 可變形機翼 能夠實時感知外界環(huán)境的變化 并可以驅動機翼彎曲 扭轉 從而改變翼型和攻角 以獲得最佳氣動特性 降低機翼阻力系數(shù) 延長機翼的疲勞壽命 如當飛機在飛行過程中遇到渦流或猛烈的逆風時 機翼中的智能材料就能夠迅速變形 并帶動機翼改變形狀 從而消除渦流或逆風的影響 使飛機仍能平衡地飛行 20 美國的一項研究表明 在機翼結構中使用磁致伸縮致動器 可使機翼阻力降低85 美國波音公司和麻省理工學院聯(lián)合研究在槳葉中嵌入智能纖維 電致流變體時可使槳葉扭轉變形達幾度 美國陸軍在開發(fā)直升機旋翼主動控制技術 將用于RAH 66武裝直升機 美國防部和航空航天局也在研究自適應結構 包括翼片彎曲 彎曲造型 控制面造型等 相信在不久的將來我們用智能材料制成的飛機機翼 就可以像魚尾巴一樣行動自如 自行彎曲 自動改變形狀 從而改進升力和阻力 使飛機飛得更高 更快 21 將新型智能材料 新型驅動器 激勵器 傳感器無縫地綜合應用于飛行器的一種新的設計概念 變形機翼通過應用靈敏的傳感器和驅動器 光滑而持續(xù)地改變機翼的形狀 對不斷改變的飛行條件做出響應 從而可使飛機像鳥一樣隨意地在空中進行盤旋 倒飛和側向滑行 變形機翼技術 22 飛機在巡航時通常要求機翼具有高展弦比和大機翼面積 而要想保持飛行速度快 就要求低展弦比和小的機翼面積 變形機翼的概念就是把二者的特點結合在一起 使機翼面積能夠在50 到150 之間變化 變形機翼能夠從根本上改善飛機的巡航和沖刺能力 以及飛行機動能力 美國防部預先研究計劃局2003年啟動 變形飛機結構 MAS 項目 旨在通過在飛行中改變飛機的氣動外形使飛機在執(zhí)行不同任務或在不同飛行包線時的飛機性能都保持在最佳狀態(tài) 即通過變形飛 23 部件使新一代軍用飛機能夠用于執(zhí)行多種形式的作戰(zhàn)任務 其長遠目標是設計一種續(xù)航能力比 全球鷹 無人機更強 機動性比F A 22戰(zhàn)斗機更好的飛機 項目第一階段的合同由三家主承包商承擔 分別是洛克希德 馬丁公司的折疊機翼概念 Hypercomp公司 新一代航空技術公司提出的 滑動蒙皮 變形機翼概念 利用海軍的 火蜂 無人機機體作為驗證平臺 以及雷聲公司的壓縮機翼概念 采用美軍 戰(zhàn)斧 巡航導彈作為試驗平臺 24 25 形狀記憶聚合物 SMP 新型材料在變形機翼設計中最重要的因素是一種稱作形狀記憶聚合物 SMP 的特殊材料 這種材料主要用作變形機翼的蒙皮 SMP具有一種特殊的記憶功能 當機翼被改變?yōu)椴煌螤畈季趾?SMP分子將會重新組構以恢復其初始形狀 如圖4所示 SMP材料的初始形態(tài) 也就是它的 記憶 形狀是一種剛性體即高模量形態(tài) 當它受熱 高頻光或電激勵后將變成一種低模量彈性體 從而可被驅動器和特殊的控制裝置伸展成不同的形狀 當它再次被激勵后 它將恢復到它的原來的高模量形態(tài) 26 27 新型壓電作動器在MAS項目中 DARPA還資助發(fā)展一種新型壓電作動器 稱之為 緊湊式混合驅動器項目 CHAP 這種作動器相對于傳統(tǒng)的驅動器來說體積非常小 功效卻很大 體積小將帶來很大優(yōu)勢 因為如果采用大體積的驅動器 其連接機構也將非常大 勢必大幅增加機翼重量 有效功率將大大減小 下面圖5和圖6示出美國賓夕法尼亞州立大學技術研究所在MAS項目支持下為洛克希德 馬丁公司的變形折疊機翼設計和制造的應用于折疊機翼和前緣襟翼的壓電驅動器 28 29 30 5 智能材料與住宅智能化未來的住宅 墻壁可以隨心所欲地變換顏色 椅子可以隨人體不同的需要改變溫度和形狀 一切的電器都是觸摸式的 永遠不會再有觸電的危險 可視電話帶有傳感功能 隨著智能材料的發(fā)展 智能化住宅已經(jīng)不再只是夢想 雖然目前還處于設想階段 但是已經(jīng)開始著手進行研究 并且必然將在不久的將來成為現(xiàn)實 31 多功能磚多功能磚用來構建整個房屋的結構單元 這種結構單元具有變通性和智能性 這種多功能磚的第一層是功能層 能感受來自周圍的聲能 熱能 光能 并能控制這些能量的輸出 如果是內墻壁磚的話 還能控制和改變墻的功能 第二層是通訊層 能為居住者提供內外通信聯(lián)系的通道 第三層是輸送通道 可以用來輸送水和其它材料 住戶還可以挑選合適的帶 面膜 的磚材 面膜是磚材的最上層 可以使墻壁產(chǎn)生不同的色彩和圖案 傳感膜可以接收聲波 熱能和可見光并予以減弱或增強 地膜可產(chǎn)生耐久的色彩和圖案 界面膜可連接內外通信線路 面膜的設置及其構形并不是一成不變的 而是很容易剝離并換上新的面膜 32 食物器皿在未來的廚房里不會看到傳統(tǒng)的碗碟 在毫微塑料的桌面上旋轉的碗不僅能測知食物的存在 而且可以根據(jù)用戶的需要自行形成各種形狀的碟子 供準備 烹調和上菜時使用 并且這種盛食物的碗還具有保溫和在不使用冰箱的情況下保鮮的功能 33 座椅坐椅不僅功能將大大增加 而且也將增加舒適程度 使用毫微塑料能改變椅座面的柔韌性和彈性 也可以形成各種型式的椅座面 如果出于美學的考慮 或是便于人們入座或從座椅中站起 毫微塑料也可以形成所需的任何圖案或結構 還能改變座椅本身的結構 由于不同年齡段的人對溫度舒適性的要求有很大區(qū)別 這種座椅還可以隨心所欲地升溫和降溫 它甚至還對人們喜愛的舒適溫度具有記憶功能 34 衛(wèi)生間在衛(wèi)生間里 常見設施是洗臉盆 抽水馬桶和淋浴器 而采用了智能結構后 在洗漱時 人們只要接觸洗臉盆支架表面的任何區(qū)域 就能調節(jié)控制水溫 水速和水流的狀態(tài) 集中噴射的水流或寬闊的水簾狀等 供人們選擇 洗臉盆上方的鏡子能照出人的正常反轉象 還能照出真實的非反轉象 35 抽水馬桶的形狀和大小可隨使用者的不同而自動變化 坐墊自動加熱至舒適的溫度 整個結構十分輕便 無論安裝在室內的任何地方 都能和多功能磚牢固地砌合 從而解決上下水的問題 在電腦住宅的廁所里 安裝了一臺檢查身體的電腦系統(tǒng) 每當有人上廁所時 與馬桶相連的體檢裝置即自動分析大小便的情況 如發(fā)現(xiàn)異常 電腦會立即發(fā)出警報 淋浴設備只要和多功能磚相連接 上下水 水溫和水流都能得到自動控制和調節(jié) 36 6 與現(xiàn)代醫(yī)學相聯(lián)系的智能材料人造肌肉因為生物彈性材料能模擬活體生物 而且其力量和反應速度均接近于人體的肌肉 所以這種材料可以應用于人體組織的修復 而且它們還具有與生物體的相容性 隨著傷口的愈合 這種聚合物就會在體內逐漸降解 最后將會消失 37 人造皮膚意大利比薩大學的科研人員為了使機器人與真人更接近 讓它的皮膚具有感覺功能 研制成功一種人造皮膚智能材料 這種材料可以感知溫度 熱流的變化以及各種應力的大小 并且有良好的空間分辨力 這種智能材料還可以分辨表面狀況 例如 粗糙度 摩擦力等 38 在藥物自動投入系統(tǒng)上的應用科學家正在研制一種能根據(jù)血液中的葡萄糖濃度而擴張收縮的聚合物 這種聚合物可制成人造胰細胞 將它注入糖尿病患者的血液中 小球就可模擬胰細胞工作 使病人的血糖濃度始終保持在平常的水平上 39 智能材料的兩種抗癌應用 如圖一種有效的抗癌藥物膠囊 即藥物 導彈 圖中的疏水性藥物載體形成了 導彈 的疏水內核 而親水性部分則在內核周圍形成了一個水化物外殼 所形成的這種高分子聚合物膠囊是一種智能型藥物載體 它能自動避免被機體內單核吞噬細胞捕獲而有效的到達癌細胞所在地 40 90年代后期 研制出用對電磁場敏感的鐵氧體包覆Ti Ni形狀記憶合金絲制成了癌癥溫熱療法用針 首先 通過導管將這種針植入病人癌變部位 由于形狀記憶作用 這種針會發(fā)生彎曲變形現(xiàn)象 其次 在通過渦流效應產(chǎn)生高頻電磁場作用下 形狀記憶合金針將能夠產(chǎn)生一定的熱量而使癌變區(qū)得到萎縮 41 7 主動結構聲控智能材料系統(tǒng)中最成熟的應用領域是主動結構聲控 采用智能結構進行主動結構聲控是降低軍用系統(tǒng)噪聲的有效途徑 一般說來 可以采用兩種方法來實現(xiàn)主動結構聲控 一種是簡單地使結構完全停止振動 顯然它可以使聲輻射降低到零 這是一種強制性的方法 往往也是辦不到的 42 另一種就是采用智能控制方法 它是指有選擇地控制輻射振動模 因為并不是所有的振動模都輻射 具有危險性 的聲波 減少系統(tǒng)的質量和功耗也同樣是必須考慮的因素 因而最好的辦法是 感覺 輻射 具有危險性 的輻射波振動模 并使用分布在整個結構中的驅動器 壓電材料或電致流變體 對產(chǎn)生的該振動模進行控制 該方法的效率取決于對材料系統(tǒng)相互作用的基本物理現(xiàn)象的認識和智能材料系統(tǒng)的自適應能力 43 美國軍方提出采用主動聲控涂層進行聲信號抑制 提高潛艇主動隱身性能 這項技術將使噪聲降低60分貝 并使?jié)撏綔y目標的時間縮短100倍 預計這種主動聲控涂層將采用壓電涂層材料和采用電致流變體技術的主動消聲貼片 44 美國麻省理工學院正在研制 增強型主動降噪潛艇殼體模型 45 8 主動振動控制振動會極大地降低工程系統(tǒng)的性能 如降低對地觀測衛(wèi)星的傳感器精度 減弱跟蹤和預警衛(wèi)星跟蹤目標的能力 使制導武器性能下降 導致系統(tǒng)金屬結構的疲勞破壞 此外還會干擾空間站的微重力環(huán)境等 采用壓電材料 形狀記憶合金或電致流變體的智能結構均可實現(xiàn)振動的主動控制 提高軍用系統(tǒng)的性能 如采用智能結構進行主動振動控制 可降低直升機旋翼的振動振幅以及產(chǎn)生可控的扭曲形變 提高直升機的有效載荷 使速度增加 戒備能力提高 46 空間系統(tǒng)的主動振動控制智能結構 主要采用壓電陶瓷或電致伸縮材料作為驅動器 考慮的主要因素是低功耗 耐久性 疲勞特性 穩(wěn)定性和溫度 環(huán)境效應等問題 同時還考慮控制器的小型化 傳感器可用光纖和壓電材料 當系統(tǒng)結構受到外力作用振動并產(chǎn)生形變時 壓電應變傳感器可產(chǎn)生與壓力成正比的表面電荷 控制系統(tǒng)對傳感器測量的信號進行處理后 再給壓電驅動器反饋一個適當?shù)碾妷?使其產(chǎn)生反向變形力 從而產(chǎn)生對系統(tǒng)結構的阻尼作用 使系統(tǒng)結構的振動隨之迅速減弱 47 主動振動控制自適應結構 另一項主要應用是消除航天器控制系統(tǒng)與柔性結構的相互干擾作用 未來大型柔性航天結構因其振動頻率低于控制系統(tǒng)的頻率 會導致有害的控制 結構干擾作用 用傳統(tǒng)的設計方法不能消除這種作用 并且不能簡單地從傳感器中濾去結構振動信息 必須從結構優(yōu)化 阻尼減振方面考慮 智能結構則是解決大型柔性結構相互干擾作用最有效的手段 48 智能材料的種類 形狀記憶合金一般金屬材料受到外力作用后 首先發(fā)生彈性變形 達到屈服點 就產(chǎn)生塑性變形 應力消除后留下永久變形 但有些材料 在發(fā)生了塑性變形后 經(jīng)過合適的熱過程 能夠回復到變形前的形狀 這種現(xiàn)象叫做形狀記憶效應 SME 具有形狀記憶效應的金屬一般是兩種以上金屬元素組成的合金 稱為形狀記憶合金 SMA 49 形狀記憶合金可以分為三種 1 單程記憶效應形狀記憶合金在較低的溫度下變形 加熱后可恢復變形前的形狀 這種只在加熱過程中存在的形狀記憶現(xiàn)象稱為單程記憶效應 2 雙程記憶效應某些合金加熱時恢復高溫相形狀 冷卻時又能恢復低溫相形狀 稱為雙程記憶效應 3 全程記憶效應加熱時恢復高溫相形狀 冷卻時變?yōu)樾螤钕嗤∠蛳喾吹牡蜏叵嘈螤?稱為全程記憶效應 50 51 形狀記憶合金的應用工業(yè)應用 1 利用單程形狀記憶效應的單向形狀恢復 如管接頭 天線 套環(huán)等 2 外因性雙向記憶恢復 即利用單程形狀記憶效應并借助外力隨溫度升降做反復動作 如熱敏元件 機器人 接線柱等 3 內因性雙向記憶恢復 即利用雙程記憶效應隨溫度升降做反復動作 如熱機 熱敏元件等 但這類應用記憶衰減快 可靠性差 不常用 4 超彈性的應用 如彈簧 接線柱 眼鏡架等 52 醫(yī)學應用 Ti Ni合金的生物相容性很好 利用其形狀記憶效應和超彈性的醫(yī)學實例相當多 如血栓過濾器 脊柱矯形棒 牙齒矯形絲 腦動脈瘤夾 接骨板 髓內針 人工關節(jié) 心臟修補元件 人造腎臟用微型泵等 53 傳感 集成電路 驅動是最典型的機械電子控制系統(tǒng) 但復雜而龐大 形狀記憶材料兼有傳感和驅動的雙重功能 可以實現(xiàn)控制系統(tǒng)的微型化和智能化 如全息機器人 毫米級超微型機械手等 21世紀將成為材料電子學的時代 形狀記憶合金的機器人的動作除溫度外不受任何環(huán)境條件的影響 可望在反應堆 加速器 太空實驗室等高技術領域大顯身手 54 美國正在研制智能材料與結構做成的機翼 它可以在各種飛行速度下始終自動保持最佳翼型 大幅度提高飛行效率 對出現(xiàn)的危險振動可自動抑制 從而使其工作性能和安全可靠性得到根本性的提高 其中完成 驅動 和 控制 職責的多采用形狀記憶合金 另外 利用形狀記憶合金智能材料抑制飛機的顫振及進行振動的主動控制等已進行過大量研究 預計很快要投入實際應用 55 形狀記憶合金在國外軍事工業(yè)特別是航空工業(yè)已有一些應用 其中制成管接頭是記憶合金應用最為廣泛也是最為成功的 據(jù)報道 形狀記憶合金管接頭已在美國F 14噴氣式戰(zhàn)斗機輸油管上使用了不下數(shù)十萬個 沒出現(xiàn)過一例漏油事故 可靠性很高 56 此外 形狀記憶合金在構件裂紋的自動探測 裂紋擴展的主動控制 構件振動的主動控制等方面已取得了可喜的進展 57 電流變體和磁流變體電致 磁致變體智能材料大多是由合成材料或陶瓷材料制成的 具有在電場或磁場的作用下發(fā)生變性的能力 其變化的大小與電場和磁場的強度有關 科學家研制成功一種電致變性材料 這種材料在接通電流時 可以從液體變?yōu)榻咏腆w 如果向空心復合梁中充入電流變性液體材料 在外電場的作用下 這種液體材料就會變硬 從而使梁變成僵硬狀 將這種現(xiàn)象與傳感器結合起來 就可以實現(xiàn)使復合梁隨著負載的變化而改變其性質 這將是裝配結構智能化的一個突破性的新起點 此外 這種材料還可以用作在地震時能自動加固建筑物的基礎 磁致變性材料在機電工業(yè)中也有廣泛的用途 58 磁致伸縮材料目前磁致伸縮智能材料的主流是稀土磁致伸縮材料 稀土超磁致伸縮材料是近期才發(fā)展起來的一種新型功能材料 這種材料在電磁場的作用下可以產(chǎn)生微變形或聲能 也可以將微變形或聲能轉化為電磁能 在國防 航空航天和高技術領域應用極為廣泛 如聲納與水聲對抗換能器 線性馬達 微位移驅動 如飛機機翼和機器人的自動調控系統(tǒng) 噪聲與振動控制系統(tǒng) 海洋勘探與水下通訊 超聲技術 醫(yī)療 化工 制藥 焊接等 燃油噴射系統(tǒng)等領域 它具有磁致伸縮值大 機械響應速度快和功率密度高特點 59 主要用途 1 由于稀土超磁致伸縮材料比傳統(tǒng)材料在性能上有了驚人的提高 所以在電器 家電 通訊器材 電腦等生產(chǎn)領域 稀土磁致伸縮材料逐漸取代了傳統(tǒng)的磁致伸縮材料和電致伸縮材料 使產(chǎn)品升級和更新?lián)Q代更加容易 2 由于稀土超磁致伸縮材料的獨特的性能 可被用于開發(fā)新一代的元器件 如廣泛應用于精密控制系統(tǒng) 如油料控制 伺服儀 導彈發(fā)射控制裝置等 聲光發(fā)射系統(tǒng) 如信號處理 聲納掃描 超聲 水聲等 以及換能器 驅動器等等的開發(fā) 60 美國開發(fā)出了一系列用于軍事目的的尖端產(chǎn)品 將其應用于艦艇水下聲納探測系統(tǒng)以及導彈發(fā)射控制裝置等 我國對磁致伸縮智能材料新產(chǎn)品的開發(fā)還處于起步階段 但也已呈現(xiàn)出良好的發(fā)展勢頭 如中國長江水利委員會應用這種材料 開發(fā)出了大功率巖體聲波探測器 應用于三峽工程和地球物理勘探 遼河油田應用這種材料 開發(fā)出了井下物理法采油裝量 東北大學和大連理工大學應用這種材料 在進給和精密定位方面進行聯(lián)合開發(fā) 61 壓電材料壓電智能材料可以將壓強 振動等迅速轉變?yōu)殡娦盘?或將電信號轉變?yōu)檎駝有盘?也就是說壓電材料在外電場的作用下可以產(chǎn)生微小變形 同時也可以將微小變形轉變?yōu)殡娦盘?而且新一代的壓電材料還具有了條件反射和指令分析的能力 其特征和運轉方式類似于人的神經(jīng)系統(tǒng) 可執(zhí)行類似于大腦的指令 壓電材料的這種獨特功能 使其在智能材料系統(tǒng)中具有廣闊的應用前景 62 1 壓電陶瓷驅動器由于壓電陶瓷具有把電能轉變?yōu)闄C械能的能力 因此當應用系統(tǒng)通電給壓電陶瓷時 使材料的自發(fā)偶極矩發(fā)生變化 從而使材料的尺寸發(fā)生改變 據(jù)報道 88層的壓電陶瓷片做成的驅動器可在20ms內產(chǎn)生50 m的位移 響應速度之快是其它材料所無法比擬的 是高精度 高速驅動器所必須的材料 已應用在各種跟蹤系統(tǒng) 自適應光學系統(tǒng) 機器人微定位器 磁頭 噴墨打印機和揚聲器等 63 2 壓電傳感器由于壓電材料對于所加應力能產(chǎn)生可測量的電信號 因此在高智能材料系統(tǒng)中可用做傳感器 PVDF壓電陶瓷的壓電性比石英高3 5倍 壓電系數(shù)值更高 并且可以做得很薄 可貼在物體表面 非常適合做傳感器 在機器人上做觸覺傳感器可感知溫度 壓力 采用不同模式可以識別邊角 棱等幾何特征 同時這種材料具有熱釋電效應 可用作溫度傳感器 64 壓電復合材料的發(fā)展 克服了壓電陶瓷自身的脆性和聚合物壓電材料的溫度限制 而更加受到重視 桿狀和片狀這種柔性壓電復合材料做成的傳感器被廣泛應用于水聲和醫(yī)用超聲傳感器 其靈敏度和力學性能很好 而另一種含有壓電粉末的聚合物連通性壓電復合材料 可做成膏狀或涂層 涂于復雜形狀結構上 可以提供該結構的應力狀態(tài)以及安全狀態(tài) 65 壓電材料 這一古老的材料 通過對其進行改性或與其它材料復合 應用在智能材料與結構中可以決傳統(tǒng)技術中難于解決的一些關鍵問題 而且其作用也是其它材料難以取代的 科學家最近研制成功一種壓電晶體 如果將其放入壁紙中 就可以大大減小冰箱或空調機的噪聲 給住戶創(chuàng)造了一個安靜的居住環(huán)境 66 航空航天用智能材料研制這項新技術的蘭利中心 形態(tài)工程 負責人說 大多數(shù)人甚至還沒有意識到此項技術的存在 形態(tài)工程 的任務是構想20年后劃時代的航空航天設計是怎樣的 并開始研制這項技術使其構想變成現(xiàn)實 例如 一架個人的空中汽車既要求它簡潔 但同時可以在非常低和非常高的時速下飛行 她接著說 我們認為要制造這樣一種 噴氣式時代 交通工具 需要機翼構型能夠進行根本的變化 在非常高速和非常低速的狀態(tài)下可以使用的機翼 是完全不同的 67 現(xiàn)在有些飛機已經(jīng)具有可調機翼 如挪威的F 14雄貓飛機和B 1超音速轟炸機 這些飛機將剛性的機翼通過巨大 沉重的曲軸安裝在機身上 作為對比 形態(tài)工程的科學家們所設想的機翼可以根據(jù)指令而展開 這種機翼是使用 形態(tài)記憶 合金或其他新穎的材料制成 可以彎曲產(chǎn)生新的形狀 形態(tài)記憶 合金具有獨特的性能 當提供足夠的熱量后 它可以很快的恢復原有形狀 任何形狀都可以最終恢復成它原有的狀態(tài) 68 研究可定制變化的壓電材料 這種物質隨電壓而變化 當扭曲這種壓電材料時就會有電壓產(chǎn)生 相反 如果對其提供電壓則材料便會彎曲 科學家們利用這種特性 將其設計做應變傳感器或 驅動器 安裝在機器中作為可產(chǎn)生微小動作 例如移動飛機的副翼 結合微電子技術 這些材料可以從根本上提高未來飛機的設計水平 展望未來的20年 飛機可隨時進行分布式的自我評估和維修 要想達到這樣的技術水平 需要在機翼中分布安裝驅動器和傳感器 這如同人體的工作 我們有遍布全身的肌肉和神經(jīng) 所以我們能意識到身體發(fā)生的變化并通過一些途徑對這些變化產(chǎn)生反應 69 智能傳感器傳感器 Sensor 傳統(tǒng)上一般指能夠感知到某種物理量 如電 光 磁等 化學量 如濃度 PH值等 生物量 如細菌等 等的信息 并將該信息轉化為有用信息的裝置 通常由敏感元件 感應變化 轉換元件 將變化轉化為有用信息 和其他輔助元件組成 70 隨著智能材料和人工智能技術特別是微計算機技術的迅猛發(fā)展 在許多智能化要求比較高的高新技術應用領域提出了智能傳感器 IntelligentSensororSmartSensor 的要求 這是一種將傳感器與微型計算機集成在一塊芯片上的裝置 它的主要特征是將敏感技術和信息處理技術相結合 使其除了具有感知的本能外 還具有認知的能力 71 一般認為 智能傳感器應具備以下條件 1 由傳感器自身能消除異常值和例外值 提供比傳統(tǒng)傳感器更全面 更真實的信息 2 具有信息處理功能 如自動補償功能 3 具有信息存貯及自診斷功能 4 具有自適應和自調節(jié)功能 5 具有智能算法及自學習功能 6 可以有數(shù)字通信接口 能實現(xiàn)網(wǎng)絡化或遠程通信 目前研制的智能材料傳感器主要有光纖傳感器 壓電傳感器和微芯片傳感器等 72 3 2ICM與結構開發(fā)研究的特點與以往一些新材料技術的發(fā)展相比 智能復合材料與結構的發(fā)展有如下突出的特點 1 發(fā)展異常迅速出現(xiàn)了用形狀記憶合金作驅動器的樹脂基復合材料夾芯結構的 柔性 機翼 為水陸兩用型 通過其截面發(fā)生的曲面變化來進行飛機高度的控制或自適應升力的變化 在水和空氣中 該機翼結構的變形響應與翼尖的位移 動力要求與動態(tài)響應有關 利用光學傳感陣埋入復合材料的飛機構架 該系統(tǒng)可監(jiān)測和控制飛機構件的疲勞裂紋 腐蝕狀況 分層等信息以確保飛機安全 降低飛機保養(yǎng)與修理費用及避免人為觀測誤差 73 早在1991年美國波音集團軍事部就提出智能結構 健康 監(jiān)控 SHMS 即把先進的光學傳感網(wǎng)絡集成在未來飛行器的結構中 這些傳感器探測監(jiān)控疲勞與裂紋 腐蝕 沖擊 開膠 溫升等情況 以保證飛行器以最低的成本 最小的維修 最好的性能安全飛行 人們最關心的是光纖材料的埋入 是否會引起層間斷裂韌性的下降或基體材料損傷 但1991年加拿大多倫多大學的試驗表明 對于Kevlar 環(huán)氧復合材料埋入光纖既沒有降低拉伸強度和壓縮強度 也沒有由于埋入光纖而引起層間斷裂韌性的降低 同時人們還發(fā)明了浸蝕光纖的技術 利用這種技術可以控制光纖的易損性 74 2 對智能材料與結構的開發(fā)研究多以宇航與國防應用為目標許多大學等研究部門均成立了 智能材料與結構研究中心 工業(yè)部門也競相投資 而國防部門和宇航系統(tǒng)對該領域的研究更是給予了高度重視 并且資助這方面的研究單位 絕大多數(shù)屬于空軍 海軍 國防部和宇航系統(tǒng) 3 基礎研究與應用研究并行 75 3 3ICM與結構的設計原理與方法智能復合材料在功能結構上雖然可以分為以上4大部分 但是它并不是這4部分的簡單疊加 而是它們的有機結合 制取智能復合材料時在工藝上需要解決很多關鍵的技術問題 不僅要在宏觀上進行尺寸和結構的設計與控制 而且更要在微觀 至納米級 分子乃至原子的尺寸 上進行結構設計與復合 76 3 3 1智能復合材料的設計原理智能復合材料的功能實現(xiàn)是依靠信息的傳遞 轉換和控制 因此信息的采集 流向對智能復合材料的功能有著極為重要的影響 智能材料的作用機制可用下圖說明 環(huán)境變化 聲音 光 熱 力 輻射 化學等 傳感器部分 具有檢測聲波 光波 力 溫度 化學濃度 輻射強度的敏感元件 信息處理器部分 驅動器部分 具有機械運動 流體運動 電能 磁能 化學能 改變強度的功能元件 生產(chǎn)線 信息 輸入 輸出 智能復合材料 控制 77 3 3 2智能復合材料的設計方法 1 根據(jù)智能復合材料的應用和目標 提出智能復合材料的系統(tǒng)智能特性 2 選擇基體材料和傳感器部分 處理器部分 驅動器部分的機敏材料 3 從宏觀上和微觀上進行結構設計 4 建立數(shù)學和力學模型 對智能復合材料系統(tǒng)進一步優(yōu)化 5 進行理化測試 檢驗材料的功能 隨著計算機技術的日益發(fā)展和在生產(chǎn)實際中的廣泛應用 智能復合材料的設計也可應用計算機進行模擬設計 78 333智能復合材料的制備工藝方法目前 在國內外 智能復合材料的合成方法有以下幾種 1粒子復合將具有不同功能的材料顆粒按特定的方式進行組裝 可構制出具有多種功能特性的智能復合材料 如在特定的褊襯底上 通過電子束掃描產(chǎn)生電子氣化花樣 在電子靜電引力的作用下 帶電的顆粒就會排列成設計的花樣 如在 3的襯底上 用電子束掃描法可將 2粉末粒子組成各種花樣 這一技術可使微粒組裝成多功能式的智能復合材料 將一種機敏材料的顆粒復合在異質基體中也獲得優(yōu)化的智能復合材料 例如壓電陶瓷和壓電高分子以不同連接度復合 可獲得性能優(yōu)異的壓電智能復合材料 將壓電陶瓷顆粒彌散分布在壓電聚合物中可制得大面積的各種形狀的壓電薄膜 79 2薄膜復合薄膜生長及合成技術近年來發(fā)展很快 制備超晶格量子阱超薄層材料已成為可能 如分子束外延 金屬有機化合物分解 化學氣相沉積 原子層外延 化學束處延 和遷移增強層外延 等多種技術 為制備納米級的多層功能智能復合材料創(chuàng)造了條件 將2種或多種機敏材料以多層微米級的薄膜復合可獲得優(yōu)化的多功能特性材料 如將鐵彈性的形狀記憶合金與鐵磁或電驅動材料復合 把熱驅動方式變成電或磁的驅動方式 可拓寬響應頻率范圍 提高響應速度 80 3納米級及分子復合將具有光敏 壓敏 熱敏等各種不同功能的納米粒子復合在多孔道的骨架內 可靈活地調控納米粒大小 納米粒之間及其與骨架之間的相互作用 具有很好的可操作性 能得到兼有光控 壓控 熱控以及其他響應性質的智能復合材料 如在沸石分子篩中 具有納米級空籠和孔道 組裝半導體納米材料 如 d 可做光電控元件 組裝納米光學材料 可做光控元件 81 3 4ICM與結構的體系種類及其應用3 4 1高分子智能復合材料將高分子材料作為結構材料使用的共同特點是 密度小 比強度高 耐腐蝕 加工性好 易加工成形 可制成復雜形狀的零部件 摩擦性能好 易滿足不同摩擦條件要求 具有絕緣性 密封性 減震性及可染色性等特點 高分子材料還有一個最大的特點是可設計性 這就為高分子材料與其他材料如磁電致伸縮材料 壓電材料 形狀記憶合金等復合而成智能高分子復合材料提供了良好的條件 82 3 4 2功能玻璃智能復合材料功能玻璃材料是材料科學領域近年來異軍突起的一支 在國際上稱之為新玻璃 功能玻璃具有特殊的機械 光學 電磁 熱學 化學 生物等力學性或理化性能 如磷灰石結晶化玻璃 2 2 5 2 具有生物體適合性 利用它的這一特性 可制成人工骨 人工齒等 將它與其他材料復合可制得人工心臟等具有更高智能的復合材料 83 3 4 3形狀記憶合金 智能復合材料形狀記憶合金是集 感知 和 驅動 于一體的功能材料 最典型的形狀記憶合金是 合金 這類材料還有 和 等 這類材料幾何形狀會隨溫度的變化發(fā)生突變 在低溫時其組織為馬氏體狀態(tài) 可進行間隔性塑性變形 當加熱到特征溫度以上時發(fā)生馬氏體到奧氏體的轉變 從而恢復到原來的形狀 即顯示形狀記憶效應 因形狀記憶合金既可作傳感器 又可作驅動器 將其與信息處理