智能復合材料與結構是在復合材料基礎上發展 起來的一項高新技術 , 它把傳感器 、 驅動器和微處理器等埋在復合材料結構中 , 形成既能承載又具有 某些特定功能的多功能性結構材料。
由于復合材料的可設計性強,加之智能結構與先進復合材料的制造方法相同,因此可根據實際應用情況的需要,重新將已或將用于航空航天等結構中的復合材料部件進行智能化處理,這樣可從根本上解決復合材料構件在其結構運行中出現的較難克服的問題如振頗、應力集中等)。
智能復合材料的主要種類和應用
SMA 應用于智能復合材料主要由于其具有形狀記憶效應(SME)和超彈性。
智能復合材料中的傳感器是嵌埋在復合材料中的,這要求與基體之間具有良好的兼容性。
該復合材料較多地出現在水泥基材料中。將一定形狀、尺寸和摻量的短切碳纖維摻入水泥基材料中,不僅材料的強度得到提高且具有應力、應變和損傷自檢測功能。
該復合材料具有壓電效應。當在材料上施加外力時,材料產生電壓的現象稱為正壓電效應;而對材料表面施加電場產生應變或應力稱為反壓電效應。即其具有將電能和機械能變換的特性,故可應用于智能結構中,特別是自適應、減振與噪聲控制等方面。
電/磁流變體在外加電/磁場作用下,內部會出現一種沿電/磁場方向的纖維狀結構,使得體系粘度在短時間內急劇增大,同時伴隨屈服應力、彈性模量顯著增加,而當撤去外電/磁場后又可在瞬間內恢復到液體。利用這一特點,與其它材料復合可實現材料的智能化。
pH 響應性凝膠纖維是隨 pH 值的變化而產生體積或形態改變的凝膠纖維,即其在水中由于pH值的不同產生可逆的收縮和溶脹,使得化學能和機械能發生相互轉換。
以美國為首的一些西方國家已研制出大型智能復合材料構件,并正在進行模擬測試和驗證。
由于智能復合材料是一種跨學科、跨行業的新技術領域,因此不僅需要材料專家,還需要化學、物理學、系統控制等諸多方面的人才,因而從事該方面研究的跨學科綜合學術團體迅速涌現。而 國防部門及宇航系統對該領域的研究更是給予了高度重視。美國國防部、國家宇航局、空軍及各大飛機制造公司的研究部門以及日、英等國家均制定和提出了各自完備的發展計劃。
智能材料雖然發展迅速,但仍然是一個尚未成熟的領域,許多概念仍未認識或統一,因此基礎研究還應大力加強。由于應用目標明確,尤其是軍事需求迫切所至,但構件的研究、制造已經紛紛上馬,并朝著智能的集成化、傳感、動作與控制系統的小型化方向發展。
想要了解更多智能復合材料的前沿信息嗎?敬請各位蒞臨11月16日在江蘇常州召開的,中國復合材料產業發展高峰論壇暨 2022 年中國復合材料工業協會年會。冷勁松院士將為各位帶來報告題目為《智能復合材料的現狀及前景》的專題報告。
冷勁松
協會首席專家,中國科學院院士,智能材料和復合材料力學專家,歐洲科學院外籍院士 ,歐洲科學與藝術院院士,國家重大人才工程入選者,國家杰出青年基金獲得者,國家百千萬人才工程入選者,哈爾濱工業大學教授、博士生導師。長期從事智能材料裝備、力學分析、結構設計及其應用研究。