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材料前沿：智能复合材料的明天

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智能复合材料与结构是在复合材料基础上发展起来的一项高新技术，智能复合材料是能感知环境变化，通过自我判断得出结论，并自主执行相应指令的材料，具有感知、驱动和控制这三种要素。

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智能复合材料通常是在成型过程中，将传感材料、致动材料紧密地融合到预浸料铺层、湿片铺层、纤维铺放、纤维缠绕和树脂传递模塑（RTM）等复合材料上，同时通过与之集成的控制器，使复合材料在承受机械载荷的同时，能够监测结构健康、自适应、自愈合、形状记忆，实现复合材料的智能化。
由于复合材料的可设计性强，加之智能结构与先进复合材料的制造方法相同，因此可根据实际应用情况的需要，重新将已（或将）用于航空航天等结构中的复合材料部件进行智能化处理，这样可从根本上解决复合材料构件在其结构运行中出现的较难克服的问题，如振颇、应力集中等。

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智能复合材料的主要种类和应用

01

形状记忆合金纤维增强智能复合材料

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形状记忆合金材料（SMA）是一种功能型金属材料，被以颗粒、纤维、带和薄片等形式植入不同种类基体材料，从而达到改进复合材料的整体强度、断裂韧性和抗冲击性能等，这类材料被称之为形状记忆合金复合材料。
形状记忆合金材料因其独特的形状记忆效应和良好的超弹性能，自诞生至今已被广泛应用于航空航天、交通运输、海洋结构和生物医学等领域。
形状记忆复合材料的独特性能对航天结构尤为适用，其集结构部件和伸展机构于一体，展开过程通过加热即可实现，无需电机、轴承、位置传感器与复杂的电子控制装置和软件。

02

光导纤维智能复合材料

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光纤智能复合材料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，并能进行数据的传输和多种参数的检测；而且具有主动改变材料中的应力分布、强度、刚度、形状、电磁场、光学性能等多种功能；从而使结构材料本身具有自诊断、自适应、自学习、自修复、自增殖、自衰减等能力。

03

热电复合材料

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热电复合材料的制备是通过人工设计并在基体材料中引入第二相来控制微观结构，从而优化传统热电材料的性能，开发出新的高性能热电材料。

04

压电智能复合材料

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压电智能结构是利用压电材料所具有的压电效应，使结构具有传感和驱动的能力。压电智能材料可以将压强、振动等迅速转变为电信号，或将电信号转变为振动信号，也就是说压电元件既能作传感器又能作驱动器，实现了传感元件与动作元件的统一。这种结构具有响应快、自诊断、自修复等特点，特别在减振与噪声控制方面，实现了振动的部分抑制，在航空航天领域有着重要的应用前景。
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美国宾夕法尼亚州立大学的研究人员采用柔性聚合物载体支撑的压电泡沫陶瓷，有望将通过标准的压电复合材料采集机械能与热能的能力提高10倍。这项研究改善了压电复合材料的性能，更有效地将机械能转化为电能。

05

电/磁流变体智能复合材料

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电/磁流变体智能复合材料是一种重要的智能复合材料，其主要由磁流变体（MR）和电流变体（ER）构成。电/磁流变体在外加电/磁场作用下，内部会出现一种沿电/磁场方向的纤维状结构，使得体系粘度在短时间内急剧增大，同时伴随屈服应力、弹性模量显著增加，而当撤去外电/磁场后又可在瞬间内恢复到液体。利用这一特点，与其它材料复合可实现材料的智能化。

06

pH响应凝胶纤维智能复合材料

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pH响应性的高分子材料，由于其独特的智能响应性而在催化、生物医学、传感器等领域有着极为重要的应用研究价值。pH响应性凝胶纤维是随pH值的变化而产生体积或形态改变的凝胶纤维，即其在水中由于pH值的不同产生可逆的收缩和溶胀，使得化学能和机械能发生相互转换。通过选择组分和加工技术，可以合成具备多功能的复合材料。

国内外研究发展状况

01

发展异常迅速

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以美国为首的一些西方国家已研制出大型智能复合材料构件，并正在进行模拟测试和验证。例如智能结构制成的自适应机翼。
研究表明，在机翼结构中使用磁致伸缩致动器，可使机翼阻力降低85%。波音公司和麻省理工学院联合研究开发的一项新课题，通过在桨叶中嵌入智能纤维，电致流变体时可使桨叶扭转变形达几度。
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智能结构监测技术还可以对复合材料构件内部的应变、温度、裂纹进行实时测量，探测其疲劳和受损伤情况，从而实现对结构进行监测和对寿命进行预测。
例如，采用光纤智能材料与结构进行复合材料的状态监测与损伤估计，即在材料或结构的关键部位埋置光纤传感器或其阵列，进行全寿命期实时监测、损伤评估和寿命预测。
日本公司利用压电陶瓷（PZT）致动器/FBG传感器，实现了对新一代航天器先进复合材料结构的损伤监测。
此外，多材料3D打印的发展进一步促进了智能复合材料结构的制造。

02

形研究团体日趋增加，多以宇航及国防应用为目标

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由于智能复合材料是一种跨学科、跨行业的新技术领域，因此不仅需要材料专家，还需要化学、物理学、系统控制等诸多方面的人才，因而从事该方面研究的跨学科综合学术团体迅速涌现。而国防部门及宇航系统对该领域的研究更是给予了高度重视。
美国的国防部、国家宇航局、空军及各大飞机制造公司的研究部门以及日、英等国家均制定和提出了各自完备的发展计划。

03

基础研究与应用研究并行

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智能材料虽然发展迅速，但仍然是一个尚未成熟的领域，许多概念仍未认识或统一，因此基础研究还应大力加强。由于应用目标明确，尤其是军事需求迫切，构件的研究、制造已经纷纷上马，并朝着智能的集成化、传感、动作与控制系统的小型化方向发展。
结语


智能复合材料作为复合材料方向的一个重要分支，结合了有机和物理化学、材料科学、生物化学及电气和机械工程等众多学科，赋予了材料“生命”特征，在众多领域都有着广阔的发展前景。智能复合材料是高技术的综合，其发展将全面提高材料的设计以及应用水平。实现复合材料的智能化将显著降低工艺成本，提高可靠性和使用效率，拓展复合材料的应用范围，是智能材料与结构技术向应用转化的理想途径之一。


文章分类： 行业新闻