航空航天智能材料与智能结构探究及进展

戴江浩

摘 要：智能材料是一种新型的多功能材料，可以帮助材料实现结构的功能化和多样化，智能结构在整个结构形成过程中集成智能材料，作为传感器和驱动器，保证整个结构具有连接、感知、自诊断、自修复的功能，更好地可以适应外界的环境和变化，提升整个航空航天架构的性能。就当前智能材料和智能结构已经变成了航空航天架构研究的重点，根据国内外研究的主要进展，通过对智能结构的研究及应用前景进行分析，了解关于智能材料和结构所面临挑战的问题。

关键词：智能材料 智能结构 问题

中图分类号：V259 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2018）01（c）-0016-02

智能材料本身是具有感知驱动控制功能的智能化的材料，智能材料代表的是材料科学中最为活跃的一方面。智能材料结构在航空领域上具有最典型的功能实现，最早开展智能材料研究的就是航空领域。航空科技的不断发展，使得材料的结构也不断提升，智能材料在航空飞行器上的应用主要是有自适应机翼震动噪、声控制和健康结构检测等。本文主要是根据上述材料发展的背景从智能材料的研究和基本性质使用案例等方面对于智能材料进行一定的探究，总结现代航空航天智能材料结构的研究中存在的问题，并且对于航空航天智能材料和结构未来发展的趋势进行一定的探讨。

1 智能材料的研究及进展概述

20世纪80年代人们提出了关于智能材料的概念，它是根据工作时期发挥的作用不同，可以分为两个类别：一种是可以被感知的材料，就是可以感知外界刺激的智能材料。比方说压电材料、形状记忆材料、铁磁材料；另一种是可以根据外部环境或者外部的状态而产生的材料，通常被作为执行器。

1.1 压电材料

压电材料是基本的机械能向电能不断转化的一种智能型的材料.压电材料具有大带宽的信号，而且它具有高能量的转化器，被用于传感驱动和振动控制。而且压电材料还可以承受相应的高温环境，比方说压电材料可以保证效应的机械能和电能可以相互转化。利用压电材料的合外力作用下产生的电荷相遇，通常就会被置成智能材料，利用压电材料的逆压电效应，即使在外电场的作用下，材料也会产生变形，而形成一种效应，可以用作驱动性的材料。

1.2 铁磁材料

铁磁材料在运用过程中，可以保证机械能向磁能不断转化的智能材料。铁磁材料在磁场的作用下会产生变形，这种现象我们通常叫做磁致伸缩反应。利用磁致伸缩正效应使得磁场作用的材料发生一定的变形，把它当作一定的驱动器，利用磁致伸缩逆效应可以导致材料发生变形后产生一定的磁场，加强传感器的作用。利用磁致伸缩正逆耦合的效应可以保证驱动力测试和输入力量，感知控制为一体的驱动性的材料器件。

1.3 形状记忆材料

形状记忆材料是具有一定初始材料形成，并且固定形成一定形状，通过光热电的物理材料的刺激，可以恢复成一种形状，具有一定的形状记忆材料。在20世纪80年代，被广泛运用在航空航天领域，而且形状记忆材料的新型智能变形飞行器的发展，也是飞行器智能化发展的一大突破口。

1.4 智能复合材料

智能材料本身具有自身的局限性，智能复合材料可以克服智能材料本身存在的局限性，更好地加大智能材料的发挥。20世纪70年代发展出来的一种多功能的复合材料，在发展过程中对声音具有一定的阻抗密度和压力系数相对来说较低，它可以改善压电陶瓷易碎的弱点，而且可以保证压电纤维复合材料更好地发挥它的功效。智能复合材料中还有一种是铁磁复合材料，它作为一种集合体电和铁磁的特点，具有磁的相互转化的功能，并且还有磁电相互转化的方式产生特殊的磁电效应。复合材料运用的功能较为独特，在磁场感应器领域的应用较为广泛，20世纪40年代有学者对于材料进行一定的研究，20世纪90年代开始国外学者开始研究了一种新型的复合材料，并且取得了一定的成果。

2 智能结构研究的应用概括

智能结构是将机体传感器驱动器和控制原件进行复合组装，不仅能保证整个结构具有传载和传承的功能，还能保证具有自诊断自修复的功能。当前智能材料的研究经历了以下两个阶段：首先是在传感器集成的材料中保证结构具有一定的自诊断功能，可以对于结构自身进行一定探究，检测它的结构的完整性，其次可以修复自身的状态，具有自修复的功能，对于智能材料的修复难度较大，还处于实验阶段，研究相对来说较少。

2.1 自诊断智能结构

自诊断智能结构可以时刻掌握结构的性能，针对结构的特点，而制定相应的策略，实现状态的维护。对于保障结构质量安全运行具有一定的意义，因此针对航空航天结构发展的特点，自诊断功能的智能结构在发展过程中会采用相应的复合材料。比方说超声波自诊断智能材料就是对于细小裂缝的损伤十分敏感，可以监测材料的疲劳裂纹和损伤程度，对于整个传感器的布置和监控以及结构的提取具有一定的均匀性，而且导播对于环境的变化影响也非常敏感，适当的开发可以进行材料损伤的诊断。

2.2 自修复智能材料

复合材料在航空航天领域应用非常广泛，飞行材料使用的寿命具有一定的期限。维修费用非常高，高达整个制造材料的50%。而且复合材料本身的结构决定了它具有抗冲击性、损伤性较差的特点。而且飞行器在使用过程中由于天气不利影响和石头、岩石偶然碰撞，都会导致复合材料的完整性被破坏，存在一定的裂纹。而另一方面如果污染物进入了复合材料结构的通道，就会降低材料承载的能力，影响材料的寿命，复合材料的损伤难以修复，而且修复过程非常困难。常用的修复方式并不是很理想，为了解决材料内部维修难的问题，受到生物损伤自愈性的启发，可以用于智能结构的研究。

3 智能材料和智能结构研究存在的问题和展望

智能材料是目前航空航天材料研究过程中的热点，集物理、化学、材料、机械等众多领域的研究，发展非常广泛。但是还存在一定的问题，比方说材料复活化，相融性就会变得小，而且在加工过程中也会产生一定的问题。材料力学性能的提升以及在航天空航天在的环境问题，这些问题都是制约了智能材料发展的原因。

智能材料本身就是纳米化薄膜和复活化，可以帮助智能材料更好地发展。此外压电材料、铁磁材料的环境下使用的问题，发展形状记忆材料可以提高自愈材料的稳定性，这些材料都可以保证材料更好地发展，同时对于未来的研究也非常重要。

智能材料是一种新型的科学应用，涉及到的传感技术、微电子技术、驱动技术、信号技术等多个领域展开的研究范围非常广。但是难度也不是特别大，智能结构对于自诊断、自修复和降低噪音等能力很强，对于航天航空的结构安全性具有一定的意义。

航空航天结构所需要的智能结构通常情况下在使用的范围都是复杂的环境。比如说高温、高压和震动的环境，面对复杂的环境在使用的过程中会容易发生失效，而且结构在开展过程中，信号处理的部分已经非常成熟。但是智能系统还需要不断地发展，自修复系统结构还停留在实验性阶段，还需要继续研发，才能保证飞机在飞行时可以降低噪声和振动，保证飞行器的安全。针对环境变化，材料和结构的安全性的问题，未来智能材料结构的研究应该不断开发新型的材料设计、新型的传感器实现对于环境问题的补偿。

参考文献

[1] 杨正岩，张佳奇，高东岳，等.航空航天智能材料与智能结构研究進展[J].航空制造技术，2017（17）：36-48.

[2] 余海湖，赵愚，姜德生.智能材料与结构的研究及应用[J].武汉理工大学学报，2001（11）：37-41.

[3] 熊克.南京航空航天大学“智能材料与结构航空科技重点实验室”简介[J].南京航空航天大学学报，2000（1）：84.

[4] 陈绍杰，朱珊.智能材料与结构的发展研究[J].材料工程，1994（5）：44-46.