智能复合材料——“生命智能”的航天型材

2019 年 5 月 28 日 未来产业促进会

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文章来源：韩秋楠、航天先进结构资讯

一、介绍

过去在复合材料领域中基本上是结构复合材料一统的局面，目前已经逐步被功能复合材料所改变，而功能复合材料还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。

智能复合材料即是一类能感知环境变化，通过自我判断得出结论，并自主执行相应指令的材料。其具备了生命智能的三要素：感知功能(监测应力、应变、压力、温度、损伤)、判断决策功能(自我处理信息、判别原因、得出结论)和执行功能(损伤的自愈合和自我改变应力应变分布、结构阻尼、固有频率等结构特性)，集合了传感、控制和驱动功能，能适时感知和响应外界环境变化，作出判断，发出指令，并执行和完成动作，使材料具有的自检测、自诊断、自监控、自愈合及自适应能力，是复合材料技术的重要发展，其发展将全面提高复合材料的设计以及应用水平。

二、智能复合材料主要功能

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，能自诊断、自适应、自愈合，实现复合材料的智能化。

（1）结构监测和寿命预测

结构监测技术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：监测复合材料结构在制造、加工及在运输、贮存期间可能产生的结构损伤，及时检测出可能产生的基体与纤维断裂、分层，内衬层与复合材料层脱粘，以及受到的冲击损伤等。

目前一些先进国家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。

美国Acellent技术公司对固体火箭发动机和液体燃料贮箱结构完整性监测进行了研究。所检测的纤维缠绕复合材料容器直径380 mm，长500 mm。在壳体中周向等间隔埋设8条带子，每条带上约等间距地有5个直径6.4mm、厚0.25mm的压电传感器，40个传感器大致成为一个彼此等间距的正方形网格，其中4条带子埋在铝内衬的环向缠绕层上，4条埋在表层缠绕层下，壳体缠绕完成后固化。用球锤冲击出1个直径约12 mm的损伤，将检测到的损伤前后的传感器信号进行比较，并对各传感器的距离作归一化处理，组合各信号图即可显示冲击损伤的大致位置和损伤程度。

德国的ECHE等研制出一套基于12个FBG传感器的空间分布式传感网络系统，用于x一38飞行器本体结构的健康监测。FBG传感器被黏贴于X-38飞行器背部元件的表面，用于监测飞船在发射和返航过程中的力学载荷和热载荷。通过测量高载荷结构部件的空间温度分布和应变，可估算飞行器主要结构部件的剩余寿命，实现了对飞行器的健康监测。日本TOSHIMICH等利用压电陶瓷(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。为监测航天器的复合材料内部出现的损伤，将FBG传感受器埋入碳纤维增强树脂铺层结构中，利用致动器发射弹性波。当在弹性波传播方向存在损伤时，弹性波强度会衰减，波速出现变化，可探测损伤的存在。

（2）自愈合

在外界应力等环境因素的影响下材料不可避免地产生裂纹等损伤，从而造成性能下降；损伤的累积还会造成材料失效。采用传统的机械连接、塑料焊接和胶接等修复技术可以对材料的可见裂纹进行修复，但是对于材料内部的微观损伤已经不能采用传统修复技术，因此必须寻找合适的修复方法提高复合材料的整体性能和安全可靠性。

目前主要分为两种类型，一种是埋植式自修复复合材料；另一种是原位自修复复合材料。前者是通过在基体材料中埋人在一定条件下可以赋予材料自修复功能组分的复合材料，材料一旦产生缺陷，可以模仿生物体损伤愈合的原理，埋置的材料组分在压力、热等条件下释放出修复剂，这种修复剂可流至损伤面，与基体材料中的催化剂接触可发生聚合反应，起到粘合裂纹的目的。后者是指在基体材料中不另外加入任何修复介质的情况下，材料本身能够在一定条件下进行自我修复的特殊复合材料。

Zako M等研究了微胶囊环氧树脂体系，采用将浸渍胶黏剂的热塑性小粒子(50um)填充在玻纤／环氧复合材料中，当复合材料受到损伤，埋置在复合材料中的热塑性粒子在120℃加热10min熔融，通过三点弯曲测试实验中的加载一位移曲线和拉伸疲劳试验表明，修复后强度几乎恢复到损伤前的水平，充分显示了自修复的效果和潜力。

（3）形状记忆

形状记忆复合材料具有形状记忆功能，当外界条件变化使得材料的形状发生改变时，只要将外界条件恢复到初始状态，材料的形状就可以自行恢复，其具有可回复应变大、可靠性高、低密度、高比刚度、高比强度和低成本等优点。

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。它是基于聚合物材料中分子链的取向与分布即内部分子间相互作用，而并非马氏体相变。弹性记忆复合材料可采用常规的复合材料工艺制作，在固化成型后其力学性能接近于普通高性能复合材料，不同的是当温度升至高于玻璃化温度时，呈现出低模量和高破坏应变，可按各种设计要求卷曲折叠，在降至玻璃化温度以下后保证形状不会发生变化。再次加热至高于玻璃化温度时，因其聚合物基体有记忆功能，无需施加任何外力材料会恢复至初次固化成型的形状。随着温度改变，该过程可反复进行，不会对材料性能产生影响。

（4）结构自适应、减振降噪

航天领域对结构减振的需求更迫切，因为大型空间结构几何尺寸的增加和大量采用小阻尼的轻型结构，其振动频率与控制频率越来越接近，甚至部分重叠，不可避免会产生伴随振动，这已成为空间结构实际应用中重要的问题。可采用被动控制和主动控制两种方式抑制结构振动。压电材料是使用最多的一种传感和驱动元件，通过埋人压电传感器，获得结构振动信息，在此过程中通过负载电阻消耗了电能，实现了振动的部分抑制。

参考文献

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