智能复合材料在航空领域的应用研究

李博 张爽

摘要：本文详细阐述了智能复合材料的主要分类，包括压电复合材料、形状记忆复合材料和自愈合复合材料及其国内外的研究进展，同时介绍了智能复合材料在航空领域的应用研究。最后，指出了智能复合材料研究当前所面临的一些挑战性问题及其研究成果对航空领域的重要意义。

关键词：智能复合材料;压电复合材料;形状记忆复合材料;自愈合复合材料;航空

过去在复合材料应用中基本全是结构复合材料，目前这一情况正随着功能复合材料的出现而被改变，功能复合材料正在向多功能复合材料方向发展，使材料不仅是一种结构而且还具有功能或多种综合功能[1]。未来也必将由多功能复合材料向智能复合材料的方向发展。

1 智能复合材料主要分类

智能复合材料通常是通过在成型过程中，将传感材料和致动材料紧密地与复合材料相融合，使得材料具有可以通过自我诊断得出结论，并自主执行相应指令的能力。智能复合材料主要可分为压电复合材料、形状记忆复合材料和自愈合复合材料三类。

1.1  压电复合材料

压电复合材料是21世纪70年代出现的一种多用途功能复合材料。与传统压电陶瓷相比，压电复合材料虽然在声阻抗、密度、压电常数方面存在劣势，但其机电耦合系数却出现大幅提高，且极大改善了压电陶瓷易脆的缺点。目前压电复合材料的研究重点是压电纤维复合材料，主要分为以下3种：1-3型压电纤维复合材料、AFC（Active Fiber Composite）和MFC（Macro Fiber Composite）。

1.2  形状记忆复合材料

形状记忆复合材料具备形状记忆功能，优点是可恢复应变大、低密度、高比强度和比刚度等。形状记忆复合材料是基于内部分子间的相互作用即聚合物材料中分子链的取向与分布，而非马氏体相变实现的。形状记忆复合材料可以采用常规的复合材料工艺制造，固化成型后的力学性能与普通高性能复合材料相当，当温度高于其玻璃化转变温度时，材料出现低模量和高破坏应变性能，可根据设计要求卷曲折叠，当温度低于玻璃化转变温度后材料形状保持不变。当温度再次高于其玻璃化转变温度时，由于材料的聚合物基体具有记忆功能，材料再次恢复至首次成型时的形狀，该过程无需施加任何外力，可反复进行，对材料性能无影响。

从20世纪90年代后期开始，国外研究学者对形状记忆复合材料进行大量研究，目前取得了诸如柔性可展太阳翼、天线柔性反射面、可变形机翼等应用进展[2-4]。国内哈尔滨工业大学选用Veriflex作为基体材料、T300碳纤维织物作为增强基材料，研制出形状记忆铰链（SMPC），该材料避免传统的形状记忆聚合物强度性能低，容易出现纤维疲劳的缺点，材料可获得高应变性能，试验表明SMPC的可展开结构性能良好[5]。

1.3  自愈合复合材料

航空领域非常关注材料的耐损伤性。在外界应力等环境因素的影响下，材料无法避免会出现裂纹等损伤情形，损伤会造成材料性能下降，直至材料失效。通过机械连接、胶接等传统修理方法仅能修复可见的裂纹损伤，对于材料内部的微观损伤无法进行修复，因此需要研究能够提高复合材料整体性能并且安全可靠的修理方法。

自愈合复合材料能够主动修复未被检测到的微小损伤，避免破坏结构完整性的现象发生。目前，自愈合复合材料主要分为三维脉管网络、微胶囊和中空纤维自愈合复合材料三类。

1.3.1  三维脉管网络自愈合复合材料

三维脉管网络自愈合复合材料的自愈合方式是通过当材料受到挤压或损坏时材料内部能够释放修复剂，对受损处的微小裂缝进行修复。应用该材料技术的航空器能够通过修复剂的释放自动修复飞行过程中出现的各类轻微损伤。

2014年位于美国伊利诺伊大学厄巴纳-尚佩恩分校的研究团队成功研发出一种具有三维脉管网络的自愈合材料，复合材料在使用过程中出现的分层以及细微裂纹的问题有望得到解决[6]。

1.3.2  微胶囊自愈合复合材料

2001年关于微胶囊自愈合复合材料的信息被首次发表在《Nature》杂志上。微胶囊自愈合技术是通过在基体材料中植入催化剂和含有愈合剂的微胶囊，当基体材料出现微裂纹时微胶囊破裂，通过毛细管虹吸作用，胶囊内的愈合剂进入裂纹面与分散在基体中的催化剂产生聚合从而对裂纹进行修复[7]。航空领域中应用的该类微胶囊需要具备密封性以及热稳定性良好等特点。

1.3.3  中空纤维自愈合复合材料

中空纤维自愈合方法是欧洲太空总署提出的概念，其修复机理是在基体材料中埋植含有类似粘合剂的未固化树脂和固化剂流体的中空纤维，当材料受到低冲击载荷损伤时，中空纤维内的修复剂流体被释放，对裂纹进行粘接使损伤区域自愈合[8]。

中空纤维自愈合技术的优点是含有的修复剂含量足够对损伤进行修复，在不同固化机制的树脂中均可填充，中空纤维容易和传统的增强纤维进行混合和调整;目前存在的缺点是必须通过纤维的断裂才能释放修复剂，必须填充低黏度的树脂才能浸润基体，碳纤维增强复合材料中由于添加中空纤维导致热膨胀系数的不匹配，生产制造过程较为复杂。

目前，利用自愈合技术修复复合材料冲击损伤的方法已经得到了一些应用。Trask等人分别将树脂和固化剂填充于中空心纤维植入复合材料中，通过模拟冲击损伤试验，复合材料的损伤区域能够获得自愈合修复[9]。杨红等人在复合材料中植入灌注有修复剂胶液的液芯光纤，制备出兼具自诊断和自修复功能的智能复合材料，最终通过试验测试发现，自修复后材料的拉伸性能可以恢复至初始值的1/3，压缩性能可以恢复至初始值的2/3以上[10]。

自愈合复合材料使得材料自身对内部或者外部损伤能够进行自修复或自愈合，从而消除隐患，延长材料的使用寿命，其在军工、航空航天等领域具有巨大的应用前景。

2 智能复合材料在航空领域的应用

2.1  智能旋翼

旋翼是直升机能够实现飞行并同其它航空器进行区别的主要部件，目前智能复合材料在直升机领域中应用的最重要方向是智能旋翼。国外在智能旋翼方面的研究主要有桨叶主动襟翼/后缘挥舞控制、桨叶主动扭转、智能桨尖控制等技术。例如，通过在桨叶中植入压电材料，利用它对电压的响应迅速特征，桨叶扭转形状可获得周期性改变，以及通过驱动襟翼运动来实施对桨叶的操控，从而替代传统的铰链、拉杆等机械结构。

美国奥本大学[11]研究开发出一种具备主动控制的自适应直升机旋翼，该旋翼可通过安装在桨根上、下表面的压电材料板的变形来改变旋翼的桨矩。试验表明，该旋翼桨叶的变矩可达到从-4°至+12°，与铰接式旋翼相比，直升机机动性可提高15%-30%，并且可以简洁、迅速地进行操作;与无轴承式旋翼相比，采用这种主动控制技术的旋翼可使雷达反射截面被有效减少，获得更佳的隐身性能;风洞试验表明，直升机的阻力及功率损耗被有效降低。再如，通过在桨叶大梁中植入形状记忆合金的驱动装置，可明显降低桨叶根部至桨尖的扭矩，直升机的悬停效率得到明显改善。利用上述技术可以使结构设计得到简化，极大提高旋翼的效能，获得质量更轻、操作更简单、气动效果更优异的旋翼，直升机的飞行品质及操纵品质能够得到极大地提高。

2.2  自适应机翼

使用智能复合材料制造的自适应飞机机翼，能够根据感知的外界环境变化，主动驱动机翼产生彎曲、扭转现象并且可以改变翼型，获得最佳的气动特性。该技术可以大大减轻结构重量，提高响应速度和减小转弯半径，以及获得雷达散射截面减少，增大升阻比等优点。

美国通过在复合材料中应用形状记忆合金，研发出了夹芯结构树脂基复合材料的“柔性机翼”，该机翼可在各种飞行速度下自动保持最佳翼型，飞行效率得到提高，并且还能自行抑制出现的危险振动[12]。

2.3  变弯度机翼

哈尔滨工业大学在变后缘弯度机翼上设计应用形状记忆复合材料蒙皮，通过在蒙皮中预埋金属弹簧丝，当金属丝通电时，形状记忆复合材料被加热，当温度升高超过其玻璃化转变温度时，电机驱动机翼后缘变形;当降低温度时，蒙皮刚度重新得到增大，能够满足承受气动载荷要求，通过将光纤光栅传感器贴于中心金属板上表面，测量应变情况实时监测机翼后缘变形参数，风洞实验表明，通过后缘弯度的变化，升力系数和升阻比均获得有效提高[13]。同时，哈尔滨工业大学还提出使用氨纶纤维可以让材料性能得到提升，为形状记忆复合材料的进一步应用提供理论基础。

3 智能复合材料研究存在的问题

智能复合材料是目前航空材料研究的一个热点分支，它能够克服材料自身的局限性，获得更优异的材料性能，具有巨大的发展和应用前景，但目前对其研究还存在着诸多问题。

压电复合材料虽然能够克服常用的压电材料如压电陶瓷脆性大、密度高，压电薄膜使用温度低、压电性能不佳等缺点，但对于如何改善压电复合材料的加工性能、材料性能等问题还需要进一步研究;形状记忆复合材料的变形能力与疲劳测试体系依然需要更加深入的研究探索;对于如何提高自愈合复合材料的可靠性以及工程实际应用方面仍需进一步的研究与试验验证，同时需要加大自愈合复合材料在高温下应用的研究。

另外，材料复合化的相容性问题、结构的微型化问题以及提高材料的力学性能问题都是亟待解决的，这些问题都制约了目前智能复合材料在航空领域中的大规模应用。

4 结束语

武器装备升级的基础是材料科学的提升，而先进材料的研发应用更是目前世界各国的研究热点。智能复合材料同时具有结构材料和功能材料的双重特性，虽然目前该技术更多的是处于实验室的试验研究阶段，但未来智能复合材料的应用发展必将极大的影响飞行器的结构设计方案并使飞行器的飞行性能得到极大提升，对推动发展航空技术具有重大意义。

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