智能材料在航空工业中的应用和发展建议

段东升

摘   要：随着航空工业的发展，为了使材料实现结构的功能化和多样化，智能材料技术应运而生。智能材料是一种新型的多功能材料，其作为传感器和驱动器在航空领域得到广泛应用。智能材料具有连接、感知、自诊断、自修复的功能，可以在外界高温差、强震动等复杂的环境中，有效提升执行任务的航空器结构的安全性能。本课题旨在通过国内外研究的现状，探究智能材料在航空工业领域研发中存在的问题，提出关于智能材料未来发展的建议。

关键词：智能材料  智能结构  应用  问题

中图分类号：V259                                   文献标识码：A                       文章编号：1674-098X（2019）02（b）-0012-02

具有传感、连接、驱动和控制功能的智能结构化的材料，我们通常称之为智能材料。智能材料是材料科学中最为活跃的一个发展和研究的前沿领域。智能材料结构在航空领域具有十分重要的应用前景，广泛运用在智能蒙皮、飞行状态监测、直升飞机旋翼轮叶、翼面的弹性气动设计、能够实现精确控制的智能结构等方面。本课题旨在通过智能材料的研究背景和现状，分析航空航天领域智能材料结构研发中存在的问题，对航空航天智能材料未来研发的方向提出建议。

1  智能材料的研究背景和現状

智能材料的概念是日本高木俊宜教授1989年11月首次提出的。日本、美国、和欧洲等发达国家非常重视重视，在材料研究领域掀起了一场科研竞赛。智能材料的初始想法受到仿生学的启发，譬如模仿鸟类的飞行制造飞行器，初始理念是想研制一种材料，使其具有类似生物的“活”的功能，具备感知、驱动和控制这3个基本要素。但是现有研发的材料绝大部分难以同时满足条件，随着研究工作的深入开展，可以用作智能材料的种类在不断扩大，目前我们对于智能材料的分类只能是粗浅的。我们通常按智能材料的用途分为两类：一种是可以感知外界刺激的智能材料，譬如说具有一定的形状记忆的材料、具有机械能向电能转化的材料、具有机械能向磁能转化的材料;另一种是具有磁磁相互转化和磁电相互转化的功能，可以随着外部环境或者外部的状态而生成的材料，利用智能复合材料的这种特性，我们通常让其担当执行器的角色。

1.1 压电型智能材料

我们把机械能与电能相互转化的智能型的材料，统称为压电型智能材料。压电型智能材料在航空航天领域通常用作传感驱动和振动控制。同时压电材料还可以承受复杂的高温环境，保障相应的机械能和电能可以相互转化。

1.2 铁磁型智能材料

在应用过程中，铁磁型智能材料通常可以实现机械能与磁能的不断转化。形成磁致伸缩效应。磁致伸缩正效应可以使磁场中的材料产生变形，我们把它用作驱动器;磁致伸缩逆效应可以使变形后的材料发生产生磁场，我们可以把它用作传感器;利用磁致伸缩正逆耦合的智能效应，我们可以把它用作感知控制、驱动性的材料器件。

1.3 形状记忆型智能材料

某些材料，在高温下发生一定的形变，在回温的时候，回温状态下发生塑性形变，若再次加热至高温状态，材料就会恢复到初始状态，这种现象我们称为形状记忆效应。形状记忆型智能材料，就是具有一定初始物理形状的材料，通过温变、激光或电压等的刺激，可以恢复成形变前的材料形状。

1.4 智能型复合材料

由于自身的局限性，智能材料本身往往难以同时满足驱动、传感和控制的“生物”功能。智能型复合材料可以克服其本身存在的局限性，更好地拓展智能材料的效能。20世纪80年代开发出了一种多功能的复合材料，其对声音具有一定的阻抗密度和压力系数相对来说较低，弥补压电陶瓷材料易碎的弱点，保障压电纤维复合材料施展效能。铁磁复合材料也是智能复合材料的一种，其具有集合体电和铁磁的特点，通过磁的相互转化或者有磁电的相互转化的方式，可以产生特殊的电磁转化效应。智能型复合材料的作用显著，在磁场感应器领域的应用较为广泛。

1.5 光纤智能材料

光纤智能材料，通常可以制作成各式各样埋入式的光纤材料传感器，实时监测复合材料制造过程;监测航空器结构所处的状态;利用光纤神经网络处理器可以对智能材料结构进行感知和监测。

2  智能材料结构的研发概况

智能材料结构是将控制器、驱动器和传感器进行复合装联，目的是保证整个智能结构具有感知和控制的功能，同时保证具有自我检测、自我修复的作用。近几年，研发人员已经跨越基础性的探索，智能材料的研究在基本原理、复合型智能材料匹配技术工艺、智能材料加工工艺技术、智能材料复杂环境下的可靠性评价、智能控制器件和效能器件等诸多方面进入到预研和开发阶段。

2.1 自我检测型智能结构

自我检测型智能结构，根据自身结构的状况，可以实时感知自身动态，从而制定应对策略和自我维护。具有自我检测功能的材料结构通常采用复合智能型材料。例如超声波智能材料通过自我检测实验，可以发现受损或疲劳的细小裂缝，自我监测超声波材料的受损或疲劳的程度，对于超声波传感器的运行可靠性意义重大，及时的研发可以提高材料损伤的诊断。

2.2 自修复智能材料

飞行材料执行任务的寿命具有一定的期限。维护和检修的费用非常高，高达整个制造材料的50%。飞行器在使用过程中由于复杂环境、高温差和震荡，都会导致复合材料疲劳、受损，存在一定的裂纹。同时如果异物进入了复合材料结构的间隙，就会降低复合材料的效能，影响材料的可靠性。目前，复合材料的损伤修复是一大难题，常用的修复方法并不是很理想。怎么解决材料内部维修的难题，借鉴生物损伤自愈性的启发，我们可以用于智能结构的研究。

3  智能材料研究中存在的问题和发展建议

智能材料是未来航空航天材料研究的热点课题，发展和应用前景非常广阔。未来的研发中存在的问题也很多，譬如智能材料实现复活化，排异性就会增大，同时，复合材料的加工技术工艺也面临许多难题。如何提升材料的力学性能，如何应对航天空航天领域的复杂环境，这些问题都是智能材料研发过程中需要突破的难题。

智能材料是一种新型的科学应用，在信号技术、传感技术、驱动技术、微电子技术等多个领域需要协作推进，联合攻关。但是难度也不是特别大，智能结构对于降低噪音、实现自诊断、自修复等功能前景广阔，对于保障飞行器安全性具有十分重要的意义。

航空航天飞行器执行的都是复杂环境的任务。面对高温、高压和震荡等复杂环境，在使用的过程中的可靠性尤为重要，而且智能材料的飞行器结构在运行过程中，信号处理的部分已经非常成熟。但是智能系统还需要继续不断地研发，自我修复功能还处于研发过程的实验阶段，需要继续攻关。针对材料和飞行器整体的安全性能的问题，建议未来智能材料的研究，以开发新型的智能材料设计为突破口、研发新型的传感器、控制器实现对于复杂环境问题的补偿。

参考文献

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