智能復(fù)合材料與結(jié)構(gòu).ppt

1 第3章智能復(fù)合材料 ICM 與結(jié)構(gòu)3 1概述定義 智能復(fù)合材料 IntelligentCM SmartMaterials 與結(jié)構(gòu)是在復(fù)合材料基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項(xiàng)高新技術(shù) 它是一種由傳感器 信息處理器和功能驅(qū)動(dòng)器等部分構(gòu)成的新型復(fù)合材料 不同于結(jié)構(gòu)材料和功能材料 它能通過自身的感知 獲取外界信息 作出判斷和處理 發(fā)出指令 具有執(zhí)行和完成功能 所以單一材料不可能實(shí)現(xiàn) 往往要由多種材料組元復(fù)合構(gòu)成 智能復(fù)合材料是信息科學(xué)融入材料科學(xué)的產(chǎn)物 2 智能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)是一類集成有傳感元 驅(qū)動(dòng)元的主動(dòng)材料系統(tǒng) 除了具有感知 驅(qū)動(dòng)功能外 還同時(shí)具有自動(dòng)控制和計(jì)算學(xué)習(xí)的功能 這種基于仿生學(xué)概念發(fā)展起來的最先進(jìn)的復(fù)合材料 能夠適時(shí)地感知和調(diào)整材料的各種狀態(tài) 以適應(yīng)內(nèi)外環(huán)境的變化 實(shí)現(xiàn)自檢測 自診斷 自調(diào)節(jié) 自恢復(fù) 自我保護(hù)等多種特殊功能 3 具體來說智能材料需具備以下內(nèi)涵 1 具有感知功能 能夠檢測并且可以識(shí)別外界 或者內(nèi)部 的刺激強(qiáng)度 如電 光 熱 應(yīng)力 應(yīng)變 化學(xué) 核輻射等 2 具有驅(qū)動(dòng)功能 能夠響應(yīng)外界變化 3 能夠按照設(shè)定的方式選擇和控制響應(yīng) 4 反應(yīng)比較靈敏 及時(shí)和恰當(dāng) 5 當(dāng)外部刺激消除后 能夠迅速恢復(fù)到原始狀態(tài) 智能材料又可以稱為敏感材料 其英文翻譯也有若干種 常用的有Intelligentmaterial Intelligentmaterialandstructure Smartmaterial Smartmaterialandstructure Adaptivematerialandstructure等 4 智能材料的構(gòu)想來源于仿生 仿生就是模仿大自然中生物的一些獨(dú)特功能制造人類使用的工具 如模仿蜻蜓制造飛機(jī)等等 它的目標(biāo)就是想研制出一種材料 使它成為具有類似于生物的各種功能的 活 的材料 因此智能材料必須具備感知 驅(qū)動(dòng)和控制這三個(gè)基本要素 但是現(xiàn)有的材料一般比較單一 難以滿足智能材料的要求 所以智能材料一般由兩種或兩種以上的材料復(fù)合構(gòu)成一個(gè)智能材料系統(tǒng) 這就使得智能材料的設(shè)計(jì) 制造 加工和性能結(jié)構(gòu)特征均涉及到了材料學(xué)的最前沿領(lǐng)域 使智能材料代表了材料科學(xué)的最活躍方面和最先進(jìn)的發(fā)展方向 5 智能材料的特征因?yàn)樵O(shè)計(jì)智能材料的兩個(gè)指導(dǎo)思想是材料的多功能復(fù)合和材料的仿生設(shè)計(jì) 所以智能材料系統(tǒng)具有或部分具有如下的智能功能和生命特征 1 傳感功能 Sensor 能夠感知外界或自身所處的環(huán)境條件 如負(fù)載 應(yīng)力 應(yīng)變 振動(dòng) 熱 光 電 磁 化學(xué) 核輻射等的強(qiáng)度及其變化 2 反饋功能 Feedback 可通過傳感網(wǎng)絡(luò) 對(duì)系統(tǒng)輸入與輸出信息進(jìn)行對(duì)比 并將其結(jié)果提供給控制系統(tǒng) 6 3 信息識(shí)別與積累功能能夠識(shí)別傳感網(wǎng)絡(luò)得到的各類信息并將其積累起來 4 響應(yīng)功能能夠根據(jù)外界環(huán)境和內(nèi)部條件變化 適時(shí)動(dòng)態(tài)地作出相應(yīng)的反應(yīng) 并采取必要行動(dòng) 5 自診斷能力 Self diagnosis 能通過分析比較系統(tǒng)目前的狀況與過去的情況 對(duì)諸如系統(tǒng)故障與判斷失誤等問題進(jìn)行自診斷并予以校正 7 6 自修復(fù)能力 Self recovery 能通過自繁殖 自生長 原位復(fù)合等再生機(jī)制 來修補(bǔ)某些局部損傷或破壞 7 自調(diào)節(jié)能力 Self adjusting 對(duì)不斷變化的外部環(huán)境和條件 能及時(shí)地自動(dòng)調(diào)整自身結(jié)構(gòu)和功能 并相應(yīng)地改變自己的狀態(tài)和行為 從而使材料系統(tǒng)始終以一種優(yōu)化方式對(duì)外界變化作出恰如其分的響應(yīng) 8 分類 復(fù)合材料智能結(jié)構(gòu)分為被動(dòng)控制式和主動(dòng)控制式兩類 被動(dòng)控制式智能結(jié)構(gòu)低級(jí)而簡單 亦稱為機(jī)敏結(jié)構(gòu) 只傳輸傳感器感受到的信息 如應(yīng)變 位移 溫度 壓力和加速度等 結(jié)構(gòu)與電子設(shè)備相互獨(dú)立 9 主動(dòng)控制式是一種智能化結(jié)構(gòu) 具有先進(jìn)而復(fù)雜的功能 能主動(dòng)檢測結(jié)構(gòu)的靜力 動(dòng)力等特性 比較檢測結(jié)果 進(jìn)行篩選并確定適當(dāng)?shù)捻憫?yīng) 控制不希望出現(xiàn)的動(dòng)態(tài)特性 10 智能復(fù)合材料的構(gòu)成 1 基體材料 基體材料主要起承受載荷的作用 一般選用輕質(zhì)材料 其中高分子材料因重量輕 耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)而受到人們的重視 也可選用金屬材料 尤其以輕質(zhì)有色合金為主 2 傳感器部分 敏感材料 傳感器部分由具有感知能力的敏感材料構(gòu)成 它的主要作用是感知環(huán)境的變化 如溫度 壓力 應(yīng)力 電磁場等 并將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的信號(hào) 這種材料有形狀記憶合金 壓電材料 光纖 磁致伸縮材料 致伸縮材料 電致變色材料 電致粘流體 磁致粘流體 液晶材料 功能梯度材料和功能塑料合金 11 3 驅(qū)動(dòng)器部分 構(gòu)成驅(qū)動(dòng)器部分的驅(qū)動(dòng)材料如形狀記憶合金 磁致伸縮材料 致伸縮材料 電致伸縮材料等 在一定的條件下可產(chǎn)生較大的應(yīng)變和應(yīng)力 從而起到響應(yīng)和控制的作用 可以根據(jù)溫度 電 磁 場等的變化而改變其形狀 尺寸 位置 剛性 自然頻率 阻尼以及其它一些力學(xué)特征 因而可具有對(duì)環(huán)境的自適應(yīng)功能 4 信息處理器部分 信息處理器部分是智能復(fù)合材料的最核心部分 隨著高度集成的硅晶技術(shù)的發(fā)展 信息處理器也變得越來越小 這就為將信息處理器復(fù)合進(jìn)智能復(fù)合材料提供了良好的條件 12 13 應(yīng)用 由于復(fù)合材料的可設(shè)計(jì)性強(qiáng) 加之智能結(jié)構(gòu)與先進(jìn)復(fù)合材料的制造方法相同 因此可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況的需要 重新將已用于航空航天等結(jié)構(gòu)中的復(fù)合材料部件進(jìn)行智能化處理 這樣可從根本上解決復(fù)合材料構(gòu)件其結(jié)構(gòu)運(yùn)行中出現(xiàn)的較難克服的問題 如振顫 應(yīng)力集中 損傷檢測等 14 在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用智能材料結(jié)構(gòu)不僅象一般功能材料一樣可以承受載荷 而且它還具有了其他功能材料所不具備的功能 即能感知所處的內(nèi)外部環(huán)境變化 并能通過改變其物理性能或形狀等做出響應(yīng) 借此實(shí)現(xiàn)自診斷 自適應(yīng) 自修復(fù)等功能 所以 智能材料在軍事應(yīng)用中具有很大潛力 它的研究 開發(fā)和利用 對(duì)未來武器裝備的發(fā)展將產(chǎn)生重大影響 15 目前 在各種軍事領(lǐng)域中 智能材料的應(yīng)用主要涉及到以下幾個(gè)方面 1 智能蒙皮例如光纖作為智能傳感元件用于飛機(jī)機(jī)翼的智能蒙皮中 或者在武器平臺(tái)的蒙皮中植入傳感元件 驅(qū)動(dòng)元件和微處理控制系統(tǒng)制成的智能蒙皮 可用于預(yù)警 隱身和通信 目前美國在智能蒙皮方面的研究包括 美國彈道導(dǎo)彈防御局為導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星和天基防御系統(tǒng)空間平臺(tái)研制含有多種傳感器的智能蒙皮 美空軍萊特實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的結(jié)構(gòu)化天線 即把天線與蒙皮結(jié)構(gòu)融合在一起 研究 美海軍則重點(diǎn)研究艦艇用智能蒙皮 以提高艦艇的隱身性能 16 2 結(jié)構(gòu)監(jiān)測和壽命預(yù)測智能結(jié)構(gòu)可用于實(shí)時(shí)測量結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)變 溫度 裂紋 探測疲勞和受損傷情況 從而能夠?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測和壽命預(yù)測 例如 采用光纖傳感器陣列和聚偏氟乙烯傳感器的智能結(jié)構(gòu)可對(duì)機(jī)翼 機(jī)架以及可重復(fù)使用航天運(yùn)載器進(jìn)行全壽命期實(shí)時(shí)監(jiān)測 損傷評(píng)估和壽命預(yù)測 空間站等大型在軌系統(tǒng)采用光纖智能結(jié)構(gòu) 可實(shí)時(shí)探測由于交會(huì)對(duì)接碰撞 隕石撞擊或其他原因引起的損傷 對(duì)損傷進(jìn)行評(píng)估 實(shí)施自診斷 17 3 減振降噪智能結(jié)構(gòu)用于航空 航天系統(tǒng)可以消除系統(tǒng)的有害振動(dòng) 減輕對(duì)電子系統(tǒng)的干擾 提高系統(tǒng)的可靠性 如美國防高級(jí)研究計(jì)劃局資助波音公司研制的直升機(jī)智能結(jié)構(gòu)旋翼葉片 可以改善旋翼的空氣動(dòng)力學(xué)性能 減小振動(dòng)和噪音 智能結(jié)構(gòu)用于艦艇 可以抑制噪聲傳播 提高潛艇和軍艦的聲隱身性能 智能結(jié)構(gòu)用于地面車輛 可以提高軍用車輛的性能和乘坐的舒適度 國外正在研究的具有減振降噪功能的智能結(jié)構(gòu) 主要由壓電陶瓷 形狀記憶合金和電致伸縮等新材料制成 18 4 環(huán)境自適應(yīng)結(jié)構(gòu)固定翼飛機(jī)在起飛和降落時(shí)需要升降副翼 在遇有陣風(fēng)等情況時(shí) 飛機(jī)翼片的受力分布將發(fā)生變化 從而不能始終保持最佳升力 阻力比 這些顯而易見的事實(shí)都說明飛機(jī)在不同的飛行狀態(tài)和飛行條件下需要不同的機(jī)型和翼型 19 智能結(jié)構(gòu)制成的自適應(yīng)機(jī)翼 可變形機(jī)翼 能夠?qū)崟r(shí)感知外界環(huán)境的變化 并可以驅(qū)動(dòng)機(jī)翼彎曲 扭轉(zhuǎn) 從而改變翼型和攻角 以獲得最佳氣動(dòng)特性 降低機(jī)翼阻力系數(shù) 延長機(jī)翼的疲勞壽命 如當(dāng)飛機(jī)在飛行過程中遇到渦流或猛烈的逆風(fēng)時(shí) 機(jī)翼中的智能材料就能夠迅速變形 并帶動(dòng)機(jī)翼改變形狀 從而消除渦流或逆風(fēng)的影響 使飛機(jī)仍能平衡地飛行 20 美國的一項(xiàng)研究表明 在機(jī)翼結(jié)構(gòu)中使用磁致伸縮致動(dòng)器 可使機(jī)翼阻力降低85 美國波音公司和麻省理工學(xué)院聯(lián)合研究在槳葉中嵌入智能纖維 電致流變體時(shí)可使槳葉扭轉(zhuǎn)變形達(dá)幾度 美國陸軍在開發(fā)直升機(jī)旋翼主動(dòng)控制技術(shù) 將用于RAH 66武裝直升機(jī) 美國防部和航空航天局也在研究自適應(yīng)結(jié)構(gòu) 包括翼片彎曲 彎曲造型 控制面造型等 相信在不久的將來我們用智能材料制成的飛機(jī)機(jī)翼 就可以像魚尾巴一樣行動(dòng)自如 自行彎曲 自動(dòng)改變形狀 從而改進(jìn)升力和阻力 使飛機(jī)飛得更高 更快 21 將新型智能材料 新型驅(qū)動(dòng)器 激勵(lì)器 傳感器無縫地綜合應(yīng)用于飛行器的一種新的設(shè)計(jì)概念 變形機(jī)翼通過應(yīng)用靈敏的傳感器和驅(qū)動(dòng)器 光滑而持續(xù)地改變機(jī)翼的形狀 對(duì)不斷改變的飛行條件做出響應(yīng) 從而可使飛機(jī)像鳥一樣隨意地在空中進(jìn)行盤旋 倒飛和側(cè)向滑行 變形機(jī)翼技術(shù) 22 飛機(jī)在巡航時(shí)通常要求機(jī)翼具有高展弦比和大機(jī)翼面積 而要想保持飛行速度快 就要求低展弦比和小的機(jī)翼面積 變形機(jī)翼的概念就是把二者的特點(diǎn)結(jié)合在一起 使機(jī)翼面積能夠在50 到150 之間變化 變形機(jī)翼能夠從根本上改善飛機(jī)的巡航和沖刺能力 以及飛行機(jī)動(dòng)能力 美國防部預(yù)先研究計(jì)劃局2003年啟動(dòng) 變形飛機(jī)結(jié)構(gòu) MAS 項(xiàng)目 旨在通過在飛行中改變飛機(jī)的氣動(dòng)外形使飛機(jī)在執(zhí)行不同任務(wù)或在不同飛行包線時(shí)的飛機(jī)性能都保持在最佳狀態(tài) 即通過變形飛 23 部件使新一代軍用飛機(jī)能夠用于執(zhí)行多種形式的作戰(zhàn)任務(wù) 其長遠(yuǎn)目標(biāo)是設(shè)計(jì)一種續(xù)航能力比 全球鷹 無人機(jī)更強(qiáng) 機(jī)動(dòng)性比F A 22戰(zhàn)斗機(jī)更好的飛機(jī) 項(xiàng)目第一階段的合同由三家主承包商承擔(dān) 分別是洛克希德 馬丁公司的折疊機(jī)翼概念 Hypercomp公司 新一代航空技術(shù)公司提出的 滑動(dòng)蒙皮 變形機(jī)翼概念 利用海軍的 火蜂 無人機(jī)機(jī)體作為驗(yàn)證平臺(tái) 以及雷聲公司的壓縮機(jī)翼概念 采用美軍 戰(zhàn)斧 巡航導(dǎo)彈作為試驗(yàn)平臺(tái) 24 25 形狀記憶聚合物 SMP 新型材料在變形機(jī)翼設(shè)計(jì)中最重要的因素是一種稱作形狀記憶聚合物 SMP 的特殊材料 這種材料主要用作變形機(jī)翼的蒙皮 SMP具有一種特殊的記憶功能 當(dāng)機(jī)翼被改變?yōu)椴煌螤畈季趾?SMP分子將會(huì)重新組構(gòu)以恢復(fù)其初始形狀 如圖4所示 SMP材料的初始形態(tài) 也就是它的 記憶 形狀是一種剛性體即高模量形態(tài) 當(dāng)它受熱 高頻光或電激勵(lì)后將變成一種低模量彈性體 從而可被驅(qū)動(dòng)器和特殊的控制裝置伸展成不同的形狀 當(dāng)它再次被激勵(lì)后 它將恢復(fù)到它的原來的高模量形態(tài) 26 27 新型壓電作動(dòng)器在MAS項(xiàng)目中 DARPA還資助發(fā)展一種新型壓電作動(dòng)器 稱之為 緊湊式混合驅(qū)動(dòng)器項(xiàng)目 CHAP 這種作動(dòng)器相對(duì)于傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器來說體積非常小 功效卻很大 體積小將帶來很大優(yōu)勢 因?yàn)槿绻捎么篌w積的驅(qū)動(dòng)器 其連接機(jī)構(gòu)也將非常大 勢必大幅增加機(jī)翼重量 有效功率將大大減小 下面圖5和圖6示出美國賓夕法尼亞州立大學(xué)技術(shù)研究所在MAS項(xiàng)目支持下為洛克希德 馬丁公司的變形折疊機(jī)翼設(shè)計(jì)和制造的應(yīng)用于折疊機(jī)翼和前緣襟翼的壓電驅(qū)動(dòng)器 28 29 30 5 智能材料與住宅智能化未來的住宅 墻壁可以隨心所欲地變換顏色 椅子可以隨人體不同的需要改變溫度和形狀 一切的電器都是觸摸式的 永遠(yuǎn)不會(huì)再有觸電的危險(xiǎn) 可視電話帶有傳感功能 隨著智能材料的發(fā)展 智能化住宅已經(jīng)不再只是夢想 雖然目前還處于設(shè)想階段 但是已經(jīng)開始著手進(jìn)行研究 并且必然將在不久的將來成為現(xiàn)實(shí) 31 多功能磚多功能磚用來構(gòu)建整個(gè)房屋的結(jié)構(gòu)單元 這種結(jié)構(gòu)單元具有變通性和智能性 這種多功能磚的第一層是功能層 能感受來自周圍的聲能 熱能 光能 并能控制這些能量的輸出 如果是內(nèi)墻壁磚的話 還能控制和改變墻的功能 第二層是通訊層 能為居住者提供內(nèi)外通信聯(lián)系的通道 第三層是輸送通道 可以用來輸送水和其它材料 住戶還可以挑選合適的帶 面膜 的磚材 面膜是磚材的最上層 可以使墻壁產(chǎn)生不同的色彩和圖案 傳感膜可以接收聲波 熱能和可見光并予以減弱或增強(qiáng) 地膜可產(chǎn)生耐久的色彩和圖案 界面膜可連接內(nèi)外通信線路 面膜的設(shè)置及其構(gòu)形并不是一成不變的 而是很容易剝離并換上新的面膜 32 食物器皿在未來的廚房里不會(huì)看到傳統(tǒng)的碗碟 在毫微塑料的桌面上旋轉(zhuǎn)的碗不僅能測知食物的存在 而且可以根據(jù)用戶的需要自行形成各種形狀的碟子 供準(zhǔn)備 烹調(diào)和上菜時(shí)使用 并且這種盛食物的碗還具有保溫和在不使用冰箱的情況下保鮮的功能 33 座椅坐椅不僅功能將大大增加 而且也將增加舒適程度 使用毫微塑料能改變椅座面的柔韌性和彈性 也可以形成各種型式的椅座面 如果出于美學(xué)的考慮 或是便于人們?nèi)胱驈淖沃姓酒?毫微塑料也可以形成所需的任何圖案或結(jié)構(gòu) 還能改變座椅本身的結(jié)構(gòu) 由于不同年齡段的人對(duì)溫度舒適性的要求有很大區(qū)別 這種座椅還可以隨心所欲地升溫和降溫 它甚至還對(duì)人們喜愛的舒適溫度具有記憶功能 34 衛(wèi)生間在衛(wèi)生間里 常見設(shè)施是洗臉盆 抽水馬桶和淋浴器 而采用了智能結(jié)構(gòu)后 在洗漱時(shí) 人們只要接觸洗臉盆支架表面的任何區(qū)域 就能調(diào)節(jié)控制水溫 水速和水流的狀態(tài) 集中噴射的水流或?qū)掗煹乃煚畹?供人們選擇 洗臉盆上方的鏡子能照出人的正常反轉(zhuǎn)象 還能照出真實(shí)的非反轉(zhuǎn)象 35 抽水馬桶的形狀和大小可隨使用者的不同而自動(dòng)變化 坐墊自動(dòng)加熱至舒適的溫度 整個(gè)結(jié)構(gòu)十分輕便 無論安裝在室內(nèi)的任何地方 都能和多功能磚牢固地砌合 從而解決上下水的問題 在電腦住宅的廁所里 安裝了一臺(tái)檢查身體的電腦系統(tǒng) 每當(dāng)有人上廁所時(shí) 與馬桶相連的體檢裝置即自動(dòng)分析大小便的情況 如發(fā)現(xiàn)異常 電腦會(huì)立即發(fā)出警報(bào) 淋浴設(shè)備只要和多功能磚相連接 上下水 水溫和水流都能得到自動(dòng)控制和調(diào)節(jié) 36 6 與現(xiàn)代醫(yī)學(xué)相聯(lián)系的智能材料人造肌肉因?yàn)樯飶椥圆牧夏苣M活體生物 而且其力量和反應(yīng)速度均接近于人體的肌肉 所以這種材料可以應(yīng)用于人體組織的修復(fù) 而且它們還具有與生物體的相容性 隨著傷口的愈合 這種聚合物就會(huì)在體內(nèi)逐漸降解 最后將會(huì)消失 37 人造皮膚意大利比薩大學(xué)的科研人員為了使機(jī)器人與真人更接近 讓它的皮膚具有感覺功能 研制成功一種人造皮膚智能材料 這種材料可以感知溫度 熱流的變化以及各種應(yīng)力的大小 并且有良好的空間分辨力 這種智能材料還可以分辨表面狀況 例如 粗糙度 摩擦力等 38 在藥物自動(dòng)投入系統(tǒng)上的應(yīng)用科學(xué)家正在研制一種能根據(jù)血液中的葡萄糖濃度而擴(kuò)張收縮的聚合物 這種聚合物可制成人造胰細(xì)胞 將它注入糖尿病患者的血液中 小球就可模擬胰細(xì)胞工作 使病人的血糖濃度始終保持在平常的水平上 39 智能材料的兩種抗癌應(yīng)用 如圖一種有效的抗癌藥物膠囊 即藥物 導(dǎo)彈 圖中的疏水性藥物載體形成了 導(dǎo)彈 的疏水內(nèi)核 而親水性部分則在內(nèi)核周圍形成了一個(gè)水化物外殼 所形成的這種高分子聚合物膠囊是一種智能型藥物載體 它能自動(dòng)避免被機(jī)體內(nèi)單核吞噬細(xì)胞捕獲而有效的到達(dá)癌細(xì)胞所在地 40 90年代后期 研制出用對(duì)電磁場敏感的鐵氧體包覆Ti Ni形狀記憶合金絲制成了癌癥溫?zé)岑煼ㄓ冕?首先 通過導(dǎo)管將這種針植入病人癌變部位 由于形狀記憶作用 這種針會(huì)發(fā)生彎曲變形現(xiàn)象 其次 在通過渦流效應(yīng)產(chǎn)生高頻電磁場作用下 形狀記憶合金針將能夠產(chǎn)生一定的熱量而使癌變區(qū)得到萎縮 41 7 主動(dòng)結(jié)構(gòu)聲控智能材料系統(tǒng)中最成熟的應(yīng)用領(lǐng)域是主動(dòng)結(jié)構(gòu)聲控 采用智能結(jié)構(gòu)進(jìn)行主動(dòng)結(jié)構(gòu)聲控是降低軍用系統(tǒng)噪聲的有效途徑 一般說來 可以采用兩種方法來實(shí)現(xiàn)主動(dòng)結(jié)構(gòu)聲控 一種是簡單地使結(jié)構(gòu)完全停止振動(dòng) 顯然它可以使聲輻射降低到零 這是一種強(qiáng)制性的方法 往往也是辦不到的 42 另一種就是采用智能控制方法 它是指有選擇地控制輻射振動(dòng)模 因?yàn)椴⒉皇撬械恼駝?dòng)模都輻射 具有危險(xiǎn)性 的聲波 減少系統(tǒng)的質(zhì)量和功耗也同樣是必須考慮的因素 因而最好的辦法是 感覺 輻射 具有危險(xiǎn)性 的輻射波振動(dòng)模 并使用分布在整個(gè)結(jié)構(gòu)中的驅(qū)動(dòng)器 壓電材料或電致流變體 對(duì)產(chǎn)生的該振動(dòng)模進(jìn)行控制 該方法的效率取決于對(duì)材料系統(tǒng)相互作用的基本物理現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)和智能材料系統(tǒng)的自適應(yīng)能力 43 美國軍方提出采用主動(dòng)聲控涂層進(jìn)行聲信號(hào)抑制 提高潛艇主動(dòng)隱身性能 這項(xiàng)技術(shù)將使噪聲降低60分貝 并使?jié)撏綔y目標(biāo)的時(shí)間縮短100倍 預(yù)計(jì)這種主動(dòng)聲控涂層將采用壓電涂層材料和采用電致流變體技術(shù)的主動(dòng)消聲貼片 44 美國麻省理工學(xué)院正在研制 增強(qiáng)型主動(dòng)降噪潛艇殼體模型 45 8 主動(dòng)振動(dòng)控制振動(dòng)會(huì)極大地降低工程系統(tǒng)的性能 如降低對(duì)地觀測衛(wèi)星的傳感器精度 減弱跟蹤和預(yù)警衛(wèi)星跟蹤目標(biāo)的能力 使制導(dǎo)武器性能下降 導(dǎo)致系統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)的疲勞破壞 此外還會(huì)干擾空間站的微重力環(huán)境等 采用壓電材料 形狀記憶合金或電致流變體的智能結(jié)構(gòu)均可實(shí)現(xiàn)振動(dòng)的主動(dòng)控制 提高軍用系統(tǒng)的性能 如采用智能結(jié)構(gòu)進(jìn)行主動(dòng)振動(dòng)控制 可降低直升機(jī)旋翼的振動(dòng)振幅以及產(chǎn)生可控的扭曲形變 提高直升機(jī)的有效載荷 使速度增加 戒備能力提高 46 空間系統(tǒng)的主動(dòng)振動(dòng)控制智能結(jié)構(gòu) 主要采用壓電陶瓷或電致伸縮材料作為驅(qū)動(dòng)器 考慮的主要因素是低功耗 耐久性 疲勞特性 穩(wěn)定性和溫度 環(huán)境效應(yīng)等問題 同時(shí)還考慮控制器的小型化 傳感器可用光纖和壓電材料 當(dāng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)受到外力作用振動(dòng)并產(chǎn)生形變時(shí) 壓電應(yīng)變傳感器可產(chǎn)生與壓力成正比的表面電荷 控制系統(tǒng)對(duì)傳感器測量的信號(hào)進(jìn)行處理后 再給壓電驅(qū)動(dòng)器反饋一個(gè)適當(dāng)?shù)碾妷?使其產(chǎn)生反向變形力 從而產(chǎn)生對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的阻尼作用 使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)隨之迅速減弱 47 主動(dòng)振動(dòng)控制自適應(yīng)結(jié)構(gòu) 另一項(xiàng)主要應(yīng)用是消除航天器控制系統(tǒng)與柔性結(jié)構(gòu)的相互干擾作用 未來大型柔性航天結(jié)構(gòu)因其振動(dòng)頻率低于控制系統(tǒng)的頻率 會(huì)導(dǎo)致有害的控制 結(jié)構(gòu)干擾作用 用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法不能消除這種作用 并且不能簡單地從傳感器中濾去結(jié)構(gòu)振動(dòng)信息 必須從結(jié)構(gòu)優(yōu)化 阻尼減振方面考慮 智能結(jié)構(gòu)則是解決大型柔性結(jié)構(gòu)相互干擾作用最有效的手段 48 智能材料的種類 形狀記憶合金一般金屬材料受到外力作用后 首先發(fā)生彈性變形 達(dá)到屈服點(diǎn) 就產(chǎn)生塑性變形 應(yīng)力消除后留下永久變形 但有些材料 在發(fā)生了塑性變形后 經(jīng)過合適的熱過程 能夠回復(fù)到變形前的形狀 這種現(xiàn)象叫做形狀記憶效應(yīng) SME 具有形狀記憶效應(yīng)的金屬一般是兩種以上金屬元素組成的合金 稱為形狀記憶合金 SMA 49 形狀記憶合金可以分為三種 1 單程記憶效應(yīng)形狀記憶合金在較低的溫度下變形 加熱后可恢復(fù)變形前的形狀 這種只在加熱過程中存在的形狀記憶現(xiàn)象稱為單程記憶效應(yīng) 2 雙程記憶效應(yīng)某些合金加熱時(shí)恢復(fù)高溫相形狀 冷卻時(shí)又能恢復(fù)低溫相形狀 稱為雙程記憶效應(yīng) 3 全程記憶效應(yīng)加熱時(shí)恢復(fù)高溫相形狀 冷卻時(shí)變?yōu)樾螤钕嗤∠蛳喾吹牡蜏叵嘈螤?稱為全程記憶效應(yīng) 50 51 形狀記憶合金的應(yīng)用工業(yè)應(yīng)用 1 利用單程形狀記憶效應(yīng)的單向形狀恢復(fù) 如管接頭 天線 套環(huán)等 2 外因性雙向記憶恢復(fù) 即利用單程形狀記憶效應(yīng)并借助外力隨溫度升降做反復(fù)動(dòng)作 如熱敏元件 機(jī)器人 接線柱等 3 內(nèi)因性雙向記憶恢復(fù) 即利用雙程記憶效應(yīng)隨溫度升降做反復(fù)動(dòng)作 如熱機(jī) 熱敏元件等 但這類應(yīng)用記憶衰減快 可靠性差 不常用 4 超彈性的應(yīng)用 如彈簧 接線柱 眼鏡架等 52 醫(yī)學(xué)應(yīng)用 Ti Ni合金的生物相容性很好 利用其形狀記憶效應(yīng)和超彈性的醫(yī)學(xué)實(shí)例相當(dāng)多 如血栓過濾器 脊柱矯形棒 牙齒矯形絲 腦動(dòng)脈瘤夾 接骨板 髓內(nèi)針 人工關(guān)節(jié) 心臟修補(bǔ)元件 人造腎臟用微型泵等 53 傳感 集成電路 驅(qū)動(dòng)是最典型的機(jī)械電子控制系統(tǒng) 但復(fù)雜而龐大 形狀記憶材料兼有傳感和驅(qū)動(dòng)的雙重功能 可以實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的微型化和智能化 如全息機(jī)器人 毫米級(jí)超微型機(jī)械手等 21世紀(jì)將成為材料電子學(xué)的時(shí)代 形狀記憶合金的機(jī)器人的動(dòng)作除溫度外不受任何環(huán)境條件的影響 可望在反應(yīng)堆 加速器 太空實(shí)驗(yàn)室等高技術(shù)領(lǐng)域大顯身手 54 美國正在研制智能材料與結(jié)構(gòu)做成的機(jī)翼 它可以在各種飛行速度下始終自動(dòng)保持最佳翼型 大幅度提高飛行效率 對(duì)出現(xiàn)的危險(xiǎn)振動(dòng)可自動(dòng)抑制 從而使其工作性能和安全可靠性得到根本性的提高 其中完成 驅(qū)動(dòng) 和 控制 職責(zé)的多采用形狀記憶合金 另外 利用形狀記憶合金智能材料抑制飛機(jī)的顫振及進(jìn)行振動(dòng)的主動(dòng)控制等已進(jìn)行過大量研究 預(yù)計(jì)很快要投入實(shí)際應(yīng)用 55 形狀記憶合金在國外軍事工業(yè)特別是航空工業(yè)已有一些應(yīng)用 其中制成管接頭是記憶合金應(yīng)用最為廣泛也是最為成功的 據(jù)報(bào)道 形狀記憶合金管接頭已在美國F 14噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)輸油管上使用了不下數(shù)十萬個(gè) 沒出現(xiàn)過一例漏油事故 可靠性很高 56 此外 形狀記憶合金在構(gòu)件裂紋的自動(dòng)探測 裂紋擴(kuò)展的主動(dòng)控制 構(gòu)件振動(dòng)的主動(dòng)控制等方面已取得了可喜的進(jìn)展 57 電流變體和磁流變體電致 磁致變體智能材料大多是由合成材料或陶瓷材料制成的 具有在電場或磁場的作用下發(fā)生變性的能力 其變化的大小與電場和磁場的強(qiáng)度有關(guān) 科學(xué)家研制成功一種電致變性材料 這種材料在接通電流時(shí) 可以從液體變?yōu)榻咏腆w 如果向空心復(fù)合梁中充入電流變性液體材料 在外電場的作用下 這種液體材料就會(huì)變硬 從而使梁變成僵硬狀 將這種現(xiàn)象與傳感器結(jié)合起來 就可以實(shí)現(xiàn)使復(fù)合梁隨著負(fù)載的變化而改變其性質(zhì) 這將是裝配結(jié)構(gòu)智能化的一個(gè)突破性的新起點(diǎn) 此外 這種材料還可以用作在地震時(shí)能自動(dòng)加固建筑物的基礎(chǔ) 磁致變性材料在機(jī)電工業(yè)中也有廣泛的用途 58 磁致伸縮材料目前磁致伸縮智能材料的主流是稀土磁致伸縮材料 稀土超磁致伸縮材料是近期才發(fā)展起來的一種新型功能材料 這種材料在電磁場的作用下可以產(chǎn)生微變形或聲能 也可以將微變形或聲能轉(zhuǎn)化為電磁能 在國防 航空航天和高技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛 如聲納與水聲對(duì)抗換能器 線性馬達(dá) 微位移驅(qū)動(dòng) 如飛機(jī)機(jī)翼和機(jī)器人的自動(dòng)調(diào)控系統(tǒng) 噪聲與振動(dòng)控制系統(tǒng) 海洋勘探與水下通訊 超聲技術(shù) 醫(yī)療 化工 制藥 焊接等 燃油噴射系統(tǒng)等領(lǐng)域 它具有磁致伸縮值大 機(jī)械響應(yīng)速度快和功率密度高特點(diǎn) 59 主要用途 1 由于稀土超磁致伸縮材料比傳統(tǒng)材料在性能上有了驚人的提高 所以在電器 家電 通訊器材 電腦等生產(chǎn)領(lǐng)域 稀土磁致伸縮材料逐漸取代了傳統(tǒng)的磁致伸縮材料和電致伸縮材料 使產(chǎn)品升級(jí)和更新?lián)Q代更加容易 2 由于稀土超磁致伸縮材料的獨(dú)特的性能 可被用于開發(fā)新一代的元器件 如廣泛應(yīng)用于精密控制系統(tǒng) 如油料控制 伺服儀 導(dǎo)彈發(fā)射控制裝置等 聲光發(fā)射系統(tǒng) 如信號(hào)處理 聲納掃描 超聲 水聲等 以及換能器 驅(qū)動(dòng)器等等的開發(fā) 60 美國開發(fā)出了一系列用于軍事目的的尖端產(chǎn)品 將其應(yīng)用于艦艇水下聲納探測系統(tǒng)以及導(dǎo)彈發(fā)射控制裝置等 我國對(duì)磁致伸縮智能材料新產(chǎn)品的開發(fā)還處于起步階段 但也已呈現(xiàn)出良好的發(fā)展勢頭 如中國長江水利委員會(huì)應(yīng)用這種材料 開發(fā)出了大功率巖體聲波探測器 應(yīng)用于三峽工程和地球物理勘探 遼河油田應(yīng)用這種材料 開發(fā)出了井下物理法采油裝量 東北大學(xué)和大連理工大學(xué)應(yīng)用這種材料 在進(jìn)給和精密定位方面進(jìn)行聯(lián)合開發(fā) 61 壓電材料壓電智能材料可以將壓強(qiáng) 振動(dòng)等迅速轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào) 或?qū)㈦娦盘?hào)轉(zhuǎn)變?yōu)檎駝?dòng)信號(hào) 也就是說壓電材料在外電場的作用下可以產(chǎn)生微小變形 同時(shí)也可以將微小變形轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào) 而且新一代的壓電材料還具有了條件反射和指令分析的能力 其特征和運(yùn)轉(zhuǎn)方式類似于人的神經(jīng)系統(tǒng) 可執(zhí)行類似于大腦的指令 壓電材料的這種獨(dú)特功能 使其在智能材料系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景 62 1 壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器由于壓電陶瓷具有把電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的能力 因此當(dāng)應(yīng)用系統(tǒng)通電給壓電陶瓷時(shí) 使材料的自發(fā)偶極矩發(fā)生變化 從而使材料的尺寸發(fā)生改變 據(jù)報(bào)道 88層的壓電陶瓷片做成的驅(qū)動(dòng)器可在20ms內(nèi)產(chǎn)生50 m的位移 響應(yīng)速度之快是其它材料所無法比擬的 是高精度 高速驅(qū)動(dòng)器所必須的材料 已應(yīng)用在各種跟蹤系統(tǒng) 自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng) 機(jī)器人微定位器 磁頭 噴墨打印機(jī)和揚(yáng)聲器等 63 2 壓電傳感器由于壓電材料對(duì)于所加應(yīng)力能產(chǎn)生可測量的電信號(hào) 因此在高智能材料系統(tǒng)中可用做傳感器 PVDF壓電陶瓷的壓電性比石英高3 5倍 壓電系數(shù)值更高 并且可以做得很薄 可貼在物體表面 非常適合做傳感器 在機(jī)器人上做觸覺傳感器可感知溫度 壓力 采用不同模式可以識(shí)別邊角 棱等幾何特征 同時(shí)這種材料具有熱釋電效應(yīng) 可用作溫度傳感器 64 壓電復(fù)合材料的發(fā)展 克服了壓電陶瓷自身的脆性和聚合物壓電材料的溫度限制 而更加受到重視 桿狀和片狀這種柔性壓電復(fù)合材料做成的傳感器被廣泛應(yīng)用于水聲和醫(yī)用超聲傳感器 其靈敏度和力學(xué)性能很好 而另一種含有壓電粉末的聚合物連通性壓電復(fù)合材料 可做成膏狀或涂層 涂于復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)上 可以提供該結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)以及安全狀態(tài) 65 壓電材料 這一古老的材料 通過對(duì)其進(jìn)行改性或與其它材料復(fù)合 應(yīng)用在智能材料與結(jié)構(gòu)中可以決傳統(tǒng)技術(shù)中難于解決的一些關(guān)鍵問題 而且其作用也是其它材料難以取代的 科學(xué)家最近研制成功一種壓電晶體 如果將其放入壁紙中 就可以大大減小冰箱或空調(diào)機(jī)的噪聲 給住戶創(chuàng)造了一個(gè)安靜的居住環(huán)境 66 航空航天用智能材料研制這項(xiàng)新技術(shù)的蘭利中心 形態(tài)工程 負(fù)責(zé)人說 大多數(shù)人甚至還沒有意識(shí)到此項(xiàng)技術(shù)的存在 形態(tài)工程 的任務(wù)是構(gòu)想20年后劃時(shí)代的航空航天設(shè)計(jì)是怎樣的 并開始研制這項(xiàng)技術(shù)使其構(gòu)想變成現(xiàn)實(shí) 例如 一架個(gè)人的空中汽車既要求它簡潔 但同時(shí)可以在非常低和非常高的時(shí)速下飛行 她接著說 我們認(rèn)為要制造這樣一種 噴氣式時(shí)代 交通工具 需要機(jī)翼構(gòu)型能夠進(jìn)行根本的變化 在非常高速和非常低速的狀態(tài)下可以使用的機(jī)翼 是完全不同的 67 現(xiàn)在有些飛機(jī)已經(jīng)具有可調(diào)機(jī)翼 如挪威的F 14雄貓飛機(jī)和B 1超音速轟炸機(jī) 這些飛機(jī)將剛性的機(jī)翼通過巨大 沉重的曲軸安裝在機(jī)身上 作為對(duì)比 形態(tài)工程的科學(xué)家們所設(shè)想的機(jī)翼可以根據(jù)指令而展開 這種機(jī)翼是使用 形態(tài)記憶 合金或其他新穎的材料制成 可以彎曲產(chǎn)生新的形狀 形態(tài)記憶 合金具有獨(dú)特的性能 當(dāng)提供足夠的熱量后 它可以很快的恢復(fù)原有形狀 任何形狀都可以最終恢復(fù)成它原有的狀態(tài) 68 研究可定制變化的壓電材料 這種物質(zhì)隨電壓而變化 當(dāng)扭曲這種壓電材料時(shí)就會(huì)有電壓產(chǎn)生 相反 如果對(duì)其提供電壓則材料便會(huì)彎曲 科學(xué)家們利用這種特性 將其設(shè)計(jì)做應(yīng)變傳感器或 驅(qū)動(dòng)器 安裝在機(jī)器中作為可產(chǎn)生微小動(dòng)作 例如移動(dòng)飛機(jī)的副翼 結(jié)合微電子技術(shù) 這些材料可以從根本上提高未來飛機(jī)的設(shè)計(jì)水平 展望未來的20年 飛機(jī)可隨時(shí)進(jìn)行分布式的自我評(píng)估和維修 要想達(dá)到這樣的技術(shù)水平 需要在機(jī)翼中分布安裝驅(qū)動(dòng)器和傳感器 這如同人體的工作 我們有遍布全身的肌肉和神經(jīng) 所以我們能意識(shí)到身體發(fā)生的變化并通過一些途徑對(duì)這些變化產(chǎn)生反應(yīng) 69 智能傳感器傳感器 Sensor 傳統(tǒng)上一般指能夠感知到某種物理量 如電 光 磁等 化學(xué)量 如濃度 PH值等 生物量 如細(xì)菌等 等的信息 并將該信息轉(zhuǎn)化為有用信息的裝置 通常由敏感元件 感應(yīng)變化 轉(zhuǎn)換元件 將變化轉(zhuǎn)化為有用信息 和其他輔助元件組成 70 隨著智能材料和人工智能技術(shù)特別是微計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展 在許多智能化要求比較高的高新技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域提出了智能傳感器 IntelligentSensororSmartSensor 的要求 這是一種將傳感器與微型計(jì)算機(jī)集成在一塊芯片上的裝置 它的主要特征是將敏感技術(shù)和信息處理技術(shù)相結(jié)合 使其除了具有感知的本能外 還具有認(rèn)知的能力 71 一般認(rèn)為 智能傳感器應(yīng)具備以下條件 1 由傳感器自身能消除異常值和例外值 提供比傳統(tǒng)傳感器更全面 更真實(shí)的信息 2 具有信息處理功能 如自動(dòng)補(bǔ)償功能 3 具有信息存貯及自診斷功能 4 具有自適應(yīng)和自調(diào)節(jié)功能 5 具有智能算法及自學(xué)習(xí)功能 6 可以有數(shù)字通信接口 能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化或遠(yuǎn)程通信 目前研制的智能材料傳感器主要有光纖傳感器 壓電傳感器和微芯片傳感器等 72 3 2ICM與結(jié)構(gòu)開發(fā)研究的特點(diǎn)與以往一些新材料技術(shù)的發(fā)展相比 智能復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)的發(fā)展有如下突出的特點(diǎn) 1 發(fā)展異常迅速出現(xiàn)了用形狀記憶合金作驅(qū)動(dòng)器的樹脂基復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)的 柔性 機(jī)翼 為水陸兩用型 通過其截面發(fā)生的曲面變化來進(jìn)行飛機(jī)高度的控制或自適應(yīng)升力的變化 在水和空氣中 該機(jī)翼結(jié)構(gòu)的變形響應(yīng)與翼尖的位移 動(dòng)力要求與動(dòng)態(tài)響應(yīng)有關(guān) 利用光學(xué)傳感陣埋入復(fù)合材料的飛機(jī)構(gòu)架 該系統(tǒng)可監(jiān)測和控制飛機(jī)構(gòu)件的疲勞裂紋 腐蝕狀況 分層等信息以確保飛機(jī)安全 降低飛機(jī)保養(yǎng)與修理費(fèi)用及避免人為觀測誤差 73 早在1991年美國波音集團(tuán)軍事部就提出智能結(jié)構(gòu) 健康 監(jiān)控 SHMS 即把先進(jìn)的光學(xué)傳感網(wǎng)絡(luò)集成在未來飛行器的結(jié)構(gòu)中 這些傳感器探測監(jiān)控疲勞與裂紋 腐蝕 沖擊 開膠 溫升等情況 以保證飛行器以最低的成本 最小的維修 最好的性能安全飛行 人們最關(guān)心的是光纖材料的埋入 是否會(huì)引起層間斷裂韌性的下降或基體材料損傷 但1991年加拿大多倫多大學(xué)的試驗(yàn)表明 對(duì)于Kevlar 環(huán)氧復(fù)合材料埋入光纖既沒有降低拉伸強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度 也沒有由于埋入光纖而引起層間斷裂韌性的降低 同時(shí)人們還發(fā)明了浸蝕光纖的技術(shù) 利用這種技術(shù)可以控制光纖的易損性 74 2 對(duì)智能材料與結(jié)構(gòu)的開發(fā)研究多以宇航與國防應(yīng)用為目標(biāo)許多大學(xué)等研究部門均成立了 智能材料與結(jié)構(gòu)研究中心 工業(yè)部門也競相投資 而國防部門和宇航系統(tǒng)對(duì)該領(lǐng)域的研究更是給予了高度重視 并且資助這方面的研究單位 絕大多數(shù)屬于空軍 海軍 國防部和宇航系統(tǒng) 3 基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究并行 75 3 3ICM與結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理與方法智能復(fù)合材料在功能結(jié)構(gòu)上雖然可以分為以上4大部分 但是它并不是這4部分的簡單疊加 而是它們的有機(jī)結(jié)合 制取智能復(fù)合材料時(shí)在工藝上需要解決很多關(guān)鍵的技術(shù)問題 不僅要在宏觀上進(jìn)行尺寸和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與控制 而且更要在微觀 至納米級(jí) 分子乃至原子的尺寸 上進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與復(fù)合 76 3 3 1智能復(fù)合材料的設(shè)計(jì)原理智能復(fù)合材料的功能實(shí)現(xiàn)是依靠信息的傳遞 轉(zhuǎn)換和控制 因此信息的采集 流向?qū)χ悄軓?fù)合材料的功能有著極為重要的影響 智能材料的作用機(jī)制可用下圖說明 環(huán)境變化 聲音 光 熱 力 輻射 化學(xué)等 傳感器部分 具有檢測聲波 光波 力 溫度 化學(xué)濃度 輻射強(qiáng)度的敏感元件 信息處理器部分 驅(qū)動(dòng)器部分 具有機(jī)械運(yùn)動(dòng) 流體運(yùn)動(dòng) 電能 磁能 化學(xué)能 改變強(qiáng)度的功能元件 生產(chǎn)線 信息 輸入 輸出 智能復(fù)合材料 控制 77 3 3 2智能復(fù)合材料的設(shè)計(jì)方法 1 根據(jù)智能復(fù)合材料的應(yīng)用和目標(biāo) 提出智能復(fù)合材料的系統(tǒng)智能特性 2 選擇基體材料和傳感器部分 處理器部分 驅(qū)動(dòng)器部分的機(jī)敏材料 3 從宏觀上和微觀上進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4 建立數(shù)學(xué)和力學(xué)模型 對(duì)智能復(fù)合材料系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化 5 進(jìn)行理化測試 檢驗(yàn)材料的功能 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的日益發(fā)展和在生產(chǎn)實(shí)際中的廣泛應(yīng)用 智能復(fù)合材料的設(shè)計(jì)也可應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬設(shè)計(jì) 78 333智能復(fù)合材料的制備工藝方法目前 在國內(nèi)外 智能復(fù)合材料的合成方法有以下幾種 1粒子復(fù)合將具有不同功能的材料顆粒按特定的方式進(jìn)行組裝 可構(gòu)制出具有多種功能特性的智能復(fù)合材料 如在特定的褊襯底上 通過電子束掃描產(chǎn)生電子氣化花樣 在電子靜電引力的作用下 帶電的顆粒就會(huì)排列成設(shè)計(jì)的花樣 如在 3的襯底上 用電子束掃描法可將 2粉末粒子組成各種花樣 這一技術(shù)可使微粒組裝成多功能式的智能復(fù)合材料 將一種機(jī)敏材料的顆粒復(fù)合在異質(zhì)基體中也獲得優(yōu)化的智能復(fù)合材料 例如壓電陶瓷和壓電高分子以不同連接度復(fù)合 可獲得性能優(yōu)異的壓電智能復(fù)合材料 將壓電陶瓷顆粒彌散分布在壓電聚合物中可制得大面積的各種形狀的壓電薄膜 79 2薄膜復(fù)合薄膜生長及合成技術(shù)近年來發(fā)展很快 制備超晶格量子阱超薄層材料已成為可能 如分子束外延 金屬有機(jī)化合物分解 化學(xué)氣相沉積 原子層外延 化學(xué)束處延 和遷移增強(qiáng)層外延 等多種技術(shù) 為制備納米級(jí)的多層功能智能復(fù)合材料創(chuàng)造了條件 將2種或多種機(jī)敏材料以多層微米級(jí)的薄膜復(fù)合可獲得優(yōu)化的多功能特性材料 如將鐵彈性的形狀記憶合金與鐵磁或電驅(qū)動(dòng)材料復(fù)合 把熱驅(qū)動(dòng)方式變成電或磁的驅(qū)動(dòng)方式 可拓寬響應(yīng)頻率范圍 提高響應(yīng)速度 80 3納米級(jí)及分子復(fù)合將具有光敏 壓敏 熱敏等各種不同功能的納米粒子復(fù)合在多孔道的骨架內(nèi) 可靈活地調(diào)控納米粒大小 納米粒之間及其與骨架之間的相互作用 具有很好的可操作性 能得到兼有光控 壓控 熱控以及其他響應(yīng)性質(zhì)的智能復(fù)合材料 如在沸石分子篩中 具有納米級(jí)空籠和孔道 組裝半導(dǎo)體納米材料 如 d 可做光電控元件 組裝納米光學(xué)材料 可做光控元件 81 3 4ICM與結(jié)構(gòu)的體系種類及其應(yīng)用3 4 1高分子智能復(fù)合材料將高分子材料作為結(jié)構(gòu)材料使用的共同特點(diǎn)是 密度小 比強(qiáng)度高 耐腐蝕 加工性好 易加工成形 可制成復(fù)雜形狀的零部件 摩擦性能好 易滿足不同摩擦條件要求 具有絕緣性 密封性 減震性及可染色性等特點(diǎn) 高分子材料還有一個(gè)最大的特點(diǎn)是可設(shè)計(jì)性 這就為高分子材料與其他材料如磁電致伸縮材料 壓電材料 形狀記憶合金等復(fù)合而成智能高分子復(fù)合材料提供了良好的條件 82 3 4 2功能玻璃智能復(fù)合材料功能玻璃材料是材料科學(xué)領(lǐng)域近年來異軍突起的一支 在國際上稱之為新玻璃 功能玻璃具有特殊的機(jī)械 光學(xué) 電磁 熱學(xué) 化學(xué) 生物等力學(xué)性或理化性能 如磷灰石結(jié)晶化玻璃 2 2 5 2 具有生物體適合性 利用它的這一特性 可制成人工骨 人工齒等 將它與其他材料復(fù)合可制得人工心臟等具有更高智能的復(fù)合材料 83 3 4 3形狀記憶合金 智能復(fù)合材料形狀記憶合金是集 感知 和 驅(qū)動(dòng) 于一體的功能材料 最典型的形狀記憶合金是 合金 這類材料還有 和 等 這類材料幾何形狀會(huì)隨溫度的變化發(fā)生突變 在低溫時(shí)其組織為馬氏體狀態(tài) 可進(jìn)行間隔性塑性變形 當(dāng)加熱到特征溫度以上時(shí)發(fā)生馬氏體到奧氏體的轉(zhuǎn)變 從而恢復(fù)到原來的形狀 即顯示形狀記憶效應(yīng) 因形狀記憶合金既可作傳感器 又可作驅(qū)動(dòng)器 將其與信息處理