【复合信息】智能复合材料的研究与应用

智能复合材料一般在成型过程中，将传感材料和启动材料紧密结合到预浸料铺装、湿片铺装、纤维铺装、纤维缠绕和树脂传输中。（RTM）在复合材料上，通过集成控制器，复合材料可以监测结构的健康、自适应、自愈合和形状记忆，同时承受机械载荷，实现复合材料的智能化。

由于复合材料具有很强的设计性和与先进复合材料相同的智能结构制造方法，可以根据实际应用的需要，再次智能处理航空航天等结构中使用的复合材料零件，可以有效解决复合材料零件在其结构运行中难以克服的问题，如振颇、应力集中等。

智能化复合材料的主要类型及应用

■ 形状记忆合金纤维增强智能复合材料

形状记忆合金材料（SMA）它是一种功能性金属材料，通过颗粒、纤维、皮带和片状植入不同种类的基材，从而提高复合材料的整体强度、冲击韧性和抗冲击性能。这种材料被称为形状记忆合金复合材料。

形状记忆合金材料自诞生以来，因其独特的形状记忆效果和良好的超弹性，已广泛应用于航天工程、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特别适用于航天结构，集结构部件和伸展机构于一体，无需电机、轴承、相位传感器和复杂的电子控制系统和软件即可通过加热实现。

■ 智能复合光纤纤维材料

光纤智能复合材料是目前国内外广泛研究的一种智能材料结构，它将光纤传感器、驱动器和相关信号转换器与控制电路集成在复合材料结构中，通过 激励和控制机器、光、电、热等。

它不仅具有承受载荷的能力，还具有识别、分析、处理和控制等多种功能，可以传输数据和检查各种参数。并具有应力分布、强度、刚度、形状、磁场、光学性能等多种功能。主动改变材料；因此，结构材料本身具有自我诊断、自适应、自我学习、自我修复、自我增殖和自我衰减的能力。

■ 热电力复合材料

热电复合材料的制备是通过人工设计，在基材中引入第二相来调节微观结构，从而优化传统热电材料的特性，开发出新的高性能热电材料。

■ 智能压电复合材料

压力智能结构是利用压力材料所具有的亚电效应，使结构具有传感和驱动能力。压电智能材料可以快速将压力、振动等转化为电信号，也可以将电信号转化为振动信号。换句话说，压电元件不仅可以作为传感器，还可以作为驱动器，从而完成传感元件和动作器件的统一。该结构具有响应快、自诊断、自修复等特点，特别是在减震和噪声控制方面，完成了部分振动抑制，在航空航天领域具有重要的发展前景。

美国宾夕法尼亚州立大学的研究人员选择了由软性聚合物媒体支撑的压电泡沫陶瓷，预计采用标准压电复合材料采集机械能和热能的能力将增加10倍。这项研究提高了压电复合材料的性能，并有效地将机械能转化为电能。

■ 电力/磁流变体智能复合材料

电力/磁流变体智能复合材料是一种重要的智能复合材料，它主要由磁流变体组成（MR）和电流组合（ER）组成。在外加电/磁场的作用下，电/磁流变体内部会出现一种沿电/磁场方向的纤维状结构，导致系统粘度在短时间内急剧增加，同时屈服应力和弹性模具明显增加。然而，当外部电/磁场被移除时，它可以在瞬间恢复到液体。利用这一特点，与其他材料复合可以实现材料的智能化。

■ PH响应疑胶纤维智能复合材料

由于其独特的智能响应性，pH响应性高分子材料在催化、生物医学、传感器等领域具有极其重要的应用研究价值。pH响应性可疑胶纤维是一种由于pH值的变化而产生体积或形态变化的可疑胶纤维，即由于pH值的不同，在水中产生可逆的收缩和增溶，促进化学能和机械能的相互转换。采用选材和加工工艺，可合成多功能复合材料。

国内外研究发展状况

■ 发展异常迅速

一些以美国为首的欧美国家已经开发出大型智能复合材料构件，并且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。

研究发现，在机翼结构中使用磁性伸缩致动器可以减少机翼阻力的85%。波音公司和麻省理工学院联合研发的一个新课题，可以通过将智能纤维嵌入浆叶中，使浆叶在电致流组合中多次扭转变形。

智能化结构监测技术还可以实时测量复合材料构件内部的应变、温度和裂纹，检测其疲劳和损坏情况，从而实现结构的实时监测和寿命的预测。

例如，利用光纤智能材料和结构对复合材料的状态进行监测和损坏估计，即将光纤传感器或其阵型埋在材料和结构的关键部位，对整个寿命进行实时监测、损坏评估和寿命预测。

日本公司使用压电陶瓷（PZT）引擎/FBG传感器，完成了对新一代航天器先进复合材料结构的损坏监测。

另外，多材料3D打印的发展进一步推动了智能复合材料结构的生产。

■ 形态研究团体日益增多，多以宇航和国防应用为目标。

由于智能复合材料是跨学科、跨行业的新技术领域，不仅需要材料专家，还需要化学、物理、系统控制等多方面的人才。因此，从事这一领域探索的跨学科综合学术团体迅速涌现。国防部门和宇航系统非常重视这一领域的研究。

美国国防部、国家宇航局、空军和各大飞机制造公司的研究部门和日本、英国等国家都制定并提出了自己完善的发展规划。

■ 并行基础研究和应用研究

虽然智能材料发展迅速，但它仍然是一个不成熟的行业，许多概念仍然不被理解或统一，因此应大力加强基础研究。由于应用目标明确，尤其是军事需求紧迫，部件的研究和制造已经相继推出，并向智能集成、传感、运动和控制系统的小型化发展。

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