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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”，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

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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。

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智能复合材料研究进展

放置光纤传感器，能直接判断根基是否出现破坏。把碳纤维材料放置到水泥溶浆中，当纤维剂量和设备工艺调节适当时，变硬特性的电阻将会随外面多压力的变化而变化，也就是回应力敏感，在内部结构接近损坏区或者破坏区时同时自动报警，这是在混凝土结构中碳纤材料具有的自己诊断性能。利用这一特性，能在大水坝、桥梁和重要工程结构中实行结构的在线检测和伤害评估。桥梁的承受负荷力度检测方法是在桥面和拱壁之间放置多个光纤传感器，两边分别是发光管和光敏管，在桥梁使用时承受力度发生变化时，光纤输出的光强发生变化就会造成光敏管的变化，通过检测关敏管的变化信息来获得桥梁的承受力度的数据信息。 2.1.4压电智能复合材料

高分子阻尼复合材料[8]具有压电效应。将压电材料置入飞机机身内，当飞机遇到强气流而振动时，压电材料便产生电流，使舱壁发生和原来的振动方向相反的振动，抵消气流引起的振动噪音。将压电材料应用于滑雪板，滑雪板受振同时就产生减振反作用力，增强滑雪者的控制能力。利用压电陶瓷易于改性且易于与其它材料兼容的特点，可制成自适应结构。

意大利Pisa大学制成的压电皮肤传感器，对环境温度和压力具有敏感性。压电复合材料的概念在1978年由美国人R．E．Newnham首先提出压电阻尼材料是由压电材料，聚合物基体和导电填料三部分组成。 2.1.5电／磁流变体智能复合材料[9-11]

在机械传动和智能控制领域，磁性功能材料应用的沿革，经历了从磁粉到磁流变液的发展过程。磁粉至今仍在一些机械传动装置中使用，如磁粉制动器 磁粉离合器 磁粉刹车器等。磁流变液的发展拓宽了磁粉的应用范围，被广泛应用于车辆智能减振、建筑物智能抗震、高速列车减振、机载电子设备减振舰炮后坐阻尼控制等重要领域［12］。磁粉和磁流变液具有不稳定问题，磁胶是一种新型的磁流变功能材料，表观呈膏状、半流体态的胶体结构分散体系，它具有优良的零场稳定性和服役状态下的定特性，在各领域磁性功能器件中，可以广泛替磁粉、磁流变液，并申请了中国发明专利。

电流变体(ER流体)是一种可控流体，是能在外加电场作用下迅速实现液体-固体性质转变的一类智能材料，它能感知环境(外加电场)的变化，并且根据环境的变化自动调节材料本身的性质，使其粘度、阻尼性能和剪切力都发生相应的变化，且这种转变连续、可逆、迅速，以及能耗小(一般能源功率<25W)。

将ER流体直接复合到材料结构的研究是当前电流变技术的一个研究热点。由于ER流体在电场作用下流变力学性能发生显著变化，含ER流体的复合材料