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智能復(fù)合材料 ——“生命智能”的航天型材

2019-05-29 09:44:27 作者：韓秋楠來(lái)源：航天先進(jìn)結(jié)構(gòu)資訊分享至：

一、介紹

過(guò)去在復(fù)合材料領(lǐng)域中基本上是結(jié)構(gòu)復(fù)合材料一統(tǒng)的局面，目前已經(jīng)逐步被功能復(fù)合材料所改變，而功能復(fù)合材料還正在向多功能復(fù)合材料方向發(fā)展，使材料不僅是一種結(jié)構(gòu)而且還具有功能或多種綜合功能。

智能復(fù)合材料即是一類(lèi)能感知環(huán)境變化，通過(guò)自我判斷得出結(jié)論，并自主執(zhí)行相應(yīng)指令的材料。其具備了生命智能的三要素：感知功能（監(jiān)測(cè)應(yīng)力、應(yīng)變、壓力、溫度、損傷）、判斷決策功能（自我處理信息、判別原因、得出結(jié)論）和執(zhí)行功能（損傷的自愈合和自我改變應(yīng)力應(yīng)變分布、結(jié)構(gòu)阻尼、固有頻率等結(jié)構(gòu)特性），集合了傳感、控制和驅(qū)動(dòng)功能，能適時(shí)感知和響應(yīng)外界環(huán)境變化，作出判斷，發(fā)出指令，并執(zhí)行和完成動(dòng)作，使材料具有的自檢測(cè)、自診斷、自監(jiān)控、自愈合及自適應(yīng)能力，是復(fù)合材料技術(shù)的重要發(fā)展，其發(fā)展將全面提高復(fù)合材料的設(shè)計(jì)以及應(yīng)用水平。

二、智能復(fù)合材料主要功能

智能復(fù)合材料通常是在成型過(guò)程中，將傳感材料、致動(dòng)材料緊密地融合到預(yù)浸料鋪層、濕片鋪層、纖維鋪放、纖維纏繞和樹(shù)脂傳遞模塑（RTM）等復(fù)合材料上，同時(shí)通過(guò)與之集成的控制器，使復(fù)合材料在承受機(jī)械載荷的同時(shí)，能自診斷、自適應(yīng)、自愈合，實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的智能化。

（1）結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)和壽命預(yù)測(cè)

結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)技術(shù)可以對(duì)復(fù)合材料構(gòu)件內(nèi)部的應(yīng)變、溫度、裂紋進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，探測(cè)其疲勞和受損傷情況，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和對(duì)壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。例如：監(jiān)測(cè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在制造、加工及在運(yùn)輸、貯存期間可能產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)損傷，及時(shí)檢測(cè)出可能產(chǎn)生的基體與纖維斷裂、分層，內(nèi)襯層與復(fù)合材料層脫粘，以及受到的沖擊損傷等。

目前一些先進(jìn)國(guó)家采用光纖智能材料與結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)合材料的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與損傷估計(jì)，即在材料或結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位埋置光纖傳感器或其陣列，進(jìn)行全壽命期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、損傷評(píng)估和壽命預(yù)測(cè)。

美國(guó)Acellent技術(shù)公司對(duì)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和液體燃料貯箱結(jié)構(gòu)完整性監(jiān)測(cè)進(jìn)行了研究。所檢測(cè)的纖維纏繞復(fù)合材料容器直徑380 mm，長(zhǎng)500 mm。在殼體中周向等間隔埋設(shè)8條帶子，每條帶上約等間距地有5個(gè)直徑6.4mm、厚0.25mm的壓電傳感器，40個(gè)傳感器大致成為一個(gè)彼此等間距的正方形網(wǎng)格，其中4條帶子埋在鋁內(nèi)襯的環(huán)向纏繞層上，4條埋在表層纏繞層下，殼體纏繞完成后固化。用球錘沖擊出1個(gè)直徑約12 mm的損傷，將檢測(cè)到的損傷前后的傳感器信號(hào)進(jìn)行比較，并對(duì)各傳感器的距離作歸一化處理，組合各信號(hào)圖即可顯示沖擊損傷的大致位置和損傷程度。

德國(guó)的ECHE等研制出一套基于12個(gè)FBG傳感器的空間分布式傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，用于x一38飛行器本體結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)。FBG傳感器被黏貼于X-38飛行器背部元件的表面，用于監(jiān)測(cè)飛船在發(fā)射和返航過(guò)程中的力學(xué)載荷和熱載荷。通過(guò)測(cè)量高載荷結(jié)構(gòu)部件的空間溫度分布和應(yīng)變，可估算飛行器主要結(jié)構(gòu)部件的剩余壽命，實(shí)現(xiàn)了對(duì)飛行器的健康監(jiān)測(cè)。日本TOSHIMICH等利用壓電陶瓷（PZT）致動(dòng)器／FBG傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)新一代航天器先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損傷監(jiān)測(cè)。為監(jiān)測(cè)航天器的復(fù)合材料內(nèi)部出現(xiàn)的損傷，將FBG傳感受器埋入碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂鋪層結(jié)構(gòu)中，利用致動(dòng)器發(fā)射彈性波。當(dāng)在彈性波傳播方向存在損傷時(shí)，彈性波強(qiáng)度會(huì)衰減，波速出現(xiàn)變化，可探測(cè)損傷的存在。

（2）自愈合

在外界應(yīng)力等環(huán)境因素的影響下材料不可避免地產(chǎn)生裂紋等損傷，從而造成性能下降；損傷的累積還會(huì)造成材料失效。采用傳統(tǒng)的機(jī)械連接、塑料焊接和膠接等修復(fù)技術(shù)可以對(duì)材料的可見(jiàn)裂紋進(jìn)行修復(fù)，但是對(duì)于材料內(nèi)部的微觀(guān)損傷已經(jīng)不能采用傳統(tǒng)修復(fù)技術(shù)，因此必須尋找合適的修復(fù)方法提高復(fù)合材料的整體性能和安全可靠性。

目前主要分為兩種類(lèi)型，一種是埋植式自修復(fù)復(fù)合材料；另一種是原位自修復(fù)復(fù)合材料。前者是通過(guò)在基體材料中埋人在一定條件下可以賦予材料自修復(fù)功能組分的復(fù)合材料，材料一旦產(chǎn)生缺陷，可以模仿生物體損傷愈合的原理，埋置的材料組分在壓力、熱等條件下釋放出修復(fù)劑，這種修復(fù)劑可流至損傷面，與基體材料中的催化劑接觸可發(fā)生聚合反應(yīng)，起到粘合裂紋的目的。后者是指在基體材料中不另外加入任何修復(fù)介質(zhì)的情況下，材料本身能夠在一定條件下進(jìn)行自我修復(fù)的特殊復(fù)合材料。

Zako M等研究了微膠囊環(huán)氧樹(shù)脂體系，采用將浸漬膠黏劑的熱塑性小粒子（50um）填充在玻纖／環(huán)氧復(fù)合材料中，當(dāng)復(fù)合材料受到損傷，埋置在復(fù)合材料中的熱塑性粒子在120℃加熱10min熔融，通過(guò)三點(diǎn)彎曲測(cè)試實(shí)驗(yàn)中的加載一位移曲線(xiàn)和拉伸疲勞試驗(yàn)表明，修復(fù)后強(qiáng)度幾乎恢復(fù)到損傷前的水平，充分顯示了自修復(fù)的效果和潛力。

（3）形狀記憶

形狀記憶復(fù)合材料具有形狀記憶功能，當(dāng)外界條件變化使得材料的形狀發(fā)生改變時(shí)，只要將外界條件恢復(fù)到初始狀態(tài)，材料的形狀就可以自行恢復(fù)，其具有可回復(fù)應(yīng)變大、可靠性高、低密度、高比剛度、高比強(qiáng)度和低成本等優(yōu)點(diǎn)。

形狀記憶復(fù)合材料的獨(dú)特性能對(duì)航天結(jié)構(gòu)尤為適用，其集結(jié)構(gòu)部件和伸展機(jī)構(gòu)于一體，展開(kāi)過(guò)程通過(guò)加熱即可實(shí)現(xiàn)，無(wú)需電機(jī)、軸承、位置傳感器與復(fù)雜的電子控制裝置和軟件。它是基于聚合物材料中分子鏈的取向與分布即內(nèi)部分子間相互作用，而并非馬氏體相變。彈性記憶復(fù)合材料可采用常規(guī)的復(fù)合材料工藝制作，在固化成型后其力學(xué)性能接近于普通高性能復(fù)合材料，不同的是當(dāng)溫度升至高于玻璃化溫度時(shí)，呈現(xiàn)出低模量和高破壞應(yīng)變，可按各種設(shè)計(jì)要求卷曲折疊，在降至玻璃化溫度以下后保證形狀不會(huì)發(fā)生變化。再次加熱至高于玻璃化溫度時(shí)，因其聚合物基體有記憶功能，無(wú)需施加任何外力材料會(huì)恢復(fù)至初次固化成型的形狀。隨著溫度改變，該過(guò)程可反復(fù)進(jìn)行，不會(huì)對(duì)材料性能產(chǎn)生影響。

（4）結(jié)構(gòu)自適應(yīng)、減振降噪

航天領(lǐng)域?qū)Y(jié)構(gòu)減振的需求更迫切，因?yàn)榇笮涂臻g結(jié)構(gòu)幾何尺寸的增加和大量采用小阻尼的輕型結(jié)構(gòu)，其振動(dòng)頻率與控制頻率越來(lái)越接近，甚至部分重疊，不可避免會(huì)產(chǎn)生伴隨振動(dòng)，這已成為空間結(jié)構(gòu)實(shí)際應(yīng)用中重要的問(wèn)題。可采用被動(dòng)控制和主動(dòng)控制兩種方式抑制結(jié)構(gòu)振動(dòng)。壓電材料是使用最多的一種傳感和驅(qū)動(dòng)元件，通過(guò)埋人壓電傳感器，獲得結(jié)構(gòu)振動(dòng)信息，在此過(guò)程中通過(guò)負(fù)載電阻消耗了電能，實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)的部分抑制。

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