7智能复合材料与结构.ppt

1、第1、3章智能复合材料(ICM)和结构3.1概述定义：智能复合材料(Intelligent CM、Smart Materials)和结构是基于复合材料开发的先进技术，由传感器、信息处理器、功能驱动器等组成的新复合材料。与结构材料和功能材料不同，它通过自己的认识获得外部信息，判断和处理，发出指示，执行和完成功能，所以单个材料不能实现，往往是由多种材料组件组合而成的。智能复合材料是信息科学融合在材料科学中的产物。2、智能复合材料结构是检测元件、驱动元件集成的主动材料系统，除识别、驱动功能外，还具有自动控制和计算学习功能。基于仿生学概念开发的这种尖端复合材料，可以及时检测和调整材料的各种状态，以适应

2、内部和外部环境的变化，并提供多种特殊功能，如自我检测、自我诊断、自我曹征、自我修复、自我保护等。3，特别是智能材料，必须具有(1)检测能力，能够检测和识别外部(或内部)的刺激强度，如电、光、热、应力、应变、化学、放射性等。(2)具有应对外部世界变化的驱动功能；(3)可以按设定的方式选择和控制响应。(4)反应比较敏感、及时、适当。(5)外部刺激消除后，可以迅速恢复原状。智能材料也称为敏感材料，英语翻译也有多种，通常使用Intelligent material、Intelligent material and structure、Smart material、Smart material and

3、structure；4因此，智能材料必须有三个基本要素：认识、驱动和控制。但是，传统材料通常是单一的，难以满足智能材料的要求，因此智能材料通常由两种或多种材料组成的智能材料系统组成。这使得智能材料的设计、制造、加工和性能结构特征都参与了材料学的前沿，智能材料可以代表材料科学最活跃的方面和最先进的发展方向。5，智能材料的特征设计智能材料的两个指导思想是材料的多功能复合体和材料的仿生设计，因此智能材料系统可以检测到外部或自身的环境条件(例如，载荷、应力、应变、振动、热)(2)反馈功能，6，(3)信息识别和积累功能可以识别和积累从传感器网络获取的各种信息。(4)响应功能可以根据外部环境和内部条件的变

4、化及时、动态地做出响应，并采取必要的措施。(5)自我诊断功能可以分析系统的当前状态和历史情况，以便自行诊断和修复系统故障和判断错误等问题。7，(6)自我修复能力(Self-recovery)可以通过自我繁殖、自我生长、原位复合等再生机制修复某些局部损伤或破坏。(7)自我曹征能力(Self-adjusting)对不断变化的外部环境和条件及时、自动地调整自己的结构和功能，并相应地改变自己的状态和行为，使材料系统始终能够以一种优化方式对外部变化做出适当的反应。8，分类：复合材料智能结构分为被动控制和主动控制两类。被动的可控智能结构低级、简单(也称为机敏结构)，只传输传感器感受到的信息(如变形、位移、

5、温度、压力、加速度等)，结构独立于电子设备。，9，主动控制式是智能化的结构，具有先进复杂的功能，可以主动检测结构的静态、动力等特性，比较测试结果，确定过滤和适当的响应，控制不想要的动态特性。10，智能复合材料的构成：(1)气体材料主要起到负载作用，一般采用轻质材料，其中高分子材料重量轻，抗腐蚀的优点引起了人们的关注。还可以选择金属材料，尤其是轻质有色合金。(2)传感器部分(敏感材料)，传感器部分由具有检测功能的敏感材料组成。它的主要作用是检测环境变化，如温度、压力、应力、电磁场等，并将它们转换成适当的信号。该材料包括形状记忆合金、压电材料、光纤、磁致伸缩材料、弹性材料、电变色材料、电粘滞性流体

6、、自粘流体、LCD材料、功能梯度材料和功能塑料合金。11，(3)驱动部分、构成驱动部分的驱动材料(例如形状记忆合金、磁致伸缩材料、拉伸材料、电拉伸材料等)。在特定条件下，可以产生更大的应变和应力，起到响应和控制的作用。可以根据温度、电(磁)场等的变化更改形状、大小、位置、刚度、自然频率、阻尼和其他机械特征，从而具有环境的自适应功能。(4)信息处理器部分，信息处理器部分是智能复合材料的最核心部分。随着高度集成的硅技术的发展，信息处理器也越来越小，为将信息处理器合成智能复合材料提供了良好的条件。12，13，应用：由于复合材料的可设计性和与先进复合材料的制造方法相同的智能结构，根据实际应用情况，能够

7、智能地重新处理航空航天等结构中已经使用的复合材料零件。这就从根本上解决了复合材料构件结构运行中难以克服的问题(例如振动、应力集中、等)。14、在军事领域的应用智能材料结构，具有像普通功能材料一样能承受载荷的功能，也具有其他功能材料所没有的功能。也就是说，可以检测内部和外部环境的变化。可以通过物理性能或外观更改等进行响应。自我诊断、自适应、自我修复等功能。因此，智能材料在军事应用领域具有很大的潜力，其研究、开发和利用将对未来武器装备的发展产生重大影响。15，目前，在各种军事领域，智能材料的应用主要包括以下方面：(1)智能皮肤(例如，使用光纤作为机翼智能皮肤上的智能传感元件)。或者，可以将传感器元

8、素、驱动元素和微处理控制系统制作的智能皮肤移植到武器平台的皮肤上，用于警告、隐藏和通信。目前，美国作为对智能皮肤的研究，美国弹道导弹防御局正在为导弹警报卫星和天基防御系统空间平台开发包含多种传感器的智能皮肤。美国空军灯光研究所进行的结构化天线(即融合天线和皮肤结构)研究美国海军重点研究舰艇用智能皮肤，提高了舰艇的隐身性能。16，(2)结构监测和寿命预测智能结构可以实时测量结构内部的变形、温度、裂纹，检测疲劳和损伤，用于监测结构和预测寿命。例如，使用光纤传感器阵列和聚乙烯传感器的智能结构可以对机翼、机架和可重复使用的航天车辆进行全寿命实时监控、损伤评估和寿命预测。空间站等大型轨道系统采用光纤智能

9、结构，实时检测交叉对接碰撞、陨石碰撞或其他原因造成的损伤，评估损伤并进行自我诊断。17，(3)减振降噪智能结构用于消除航天系统中的有害振动，减轻对电子系统的干扰，提高系统的可靠性。美国防高级研究计划局资助波音公司开发的直升机智能结构旋翼桨叶，可以改善转子的空气动力学性能，减少振动和噪音。智能结构用于船舶，可以抑制噪音传播，提高潜艇和军舰的声音隐身性能。智能结构用于地面车辆，可以提高军用车辆的性能和平顺性。国外研究的具有减振降噪功能的智能结构主要由压力陶瓷、形状记忆合金、电拉伸等新材料制成。18，(4)环境适应结构固定翼飞机在起飞和降落时必须扬起翅膀。在阵风等情况下，飞机机翼的力分布发生了变化，

10、无法保持最佳的上升/阻力率。这些明显的事实表明，飞机在徐璐不同的飞行状态和飞行条件下，徐璐需要不同的机型和机翼型。19，智能结构制作的自适应机翼(可变形机翼)可以实时检测外部环境的变化，弯曲和扭转机翼，以获得最佳气动特性。降低翅膀阻力，延长翅膀的疲劳寿命。飞机在飞行中遇到漩涡或猛烈的逆风，机翼的智能材料会迅速变形，引导机翼改变形状，消除涡流或逆风的影响，使飞机仍然保持平衡飞行。(威廉莎士比亚、温德夏、逆风、逆风、逆风、逆风、逆风、逆风、逆风、逆风)，20、美国的一项研究表明，在机翼结构上使用磁致伸缩执行器可以使机翼阻力降低85%。美国波音公司和MIT共同研究了在桨叶上嵌入智能纤维，电流变体时桨

11、叶可以扭转到几度。美国陆军正在开发直升机旋翼主动控制技术，计划用于RAH-66武装直升机。五角大楼和航空航天局也在研究可变结构，包括机翼弯曲、曲线形状/控制表面形状等。智能材料制成的机翼可以自我弯曲，自动改变形状，改善升力和阻力，使飞机飞得更高、更快。21，将新型智能材料、新型驱动器、激励、传感器完美地应用于飞机的新设计概念。变形机翼应用灵敏的传感器和驱动器，使机翼的形状平滑而持续地变化，响应变化的飞行条件，使飞机像鸟一样自由地在空中盘旋、后退和侧身滑行。变形机翼技术，22，飞机巡航时一般要求机翼上有高弦比和大翼面积，保持飞行速度要求低弦比和小翼面积。变形机翼的概念是结合两者的特征，这样机翼面

12、积就可以在50%到150%之间变化。变形机翼可以从根本上改善飞机的巡航和冲刺能力，飞行机动能力。美国国防部预研究计划局于2003年启动了变形飞机结构(MAS)项目，在飞行过程中改变飞机的气动外形，以执行不同的任务或使飞机在其他飞艇上的性能保持最佳。也就是说，通过变形飞行，23，零件，新一代军用飞机可以用于执行各种形式的作战任务。长期目标是设计比全球老鹰无人机具有更强的恒速能力，并且比F/A-22战斗机具有更好的机动性的飞机。项目第一阶段合同由洛克希德马丁的折叠式机翼概念三周分包商承担。Hypercomp/新一代飞机技术人员提出的滑动蒙皮变形机翼概念将海军的火刑无人机机体用作验证平台。还有雷声公

13、司的压缩机翼概念，采用美军战斧巡航导弹作为实验平台。24，25，形状记忆聚合物(SMP)新材料变形的机翼设计中最重要的元素是称为形状记忆聚合物(SMP)的特殊材料。此材质主要用作变形翅膀的蒙皮。SMP具有特殊的内存功能，如果机翼更改为其他形状布局，SMP分子将重新构建以恢复初始形状(请参见图4)。SMP材料的初始形式(即“内存”外观)是刚性(即高系数)形式。如果受到热、高频或电激励，它就会变成低模块弹性体，通过驱动器和特殊控制装置扩展成不同的形状，再受到刺激，它就会恢复到原来的蛾摩拉形状。(DARPA在David asels，Northern Exposure，Northern Exposur

14、e，Northern Exposure，26，27，新的压电致动器MAS项目中，资助了一种称为“紧凑型混合驱动器项目(CHAP)”的新型压电致动器的开发。与传统驱动器相比，此执行器非常小，非常有效。体积小的话，使用大型驱动器的连接机制也会变得很大，大大增加翅膀重量，有效功率大大减少，因此具有很大的优点。下面的图5和图6显示了在美国宾夕法尼亚州立大学技术研究所MAS项目的支持下，设计和制造洛克希德马丁的变形折叠机翼的折叠机翼和应用于前襟翼的压电驱动器。28，29，30，(5)智能材料和住宅智能未来住宅：墙壁可以根据需要改变颜色。椅子可以根据人体的需要改变温度和形状。所有家电都是触摸式的，不会再有

15、触电的危险。具有检测功能的视频电话；即可从workspace页面中移除物件。随着智能材料的发展，智能住宅不再是梦想。虽然还在构思阶段，但已经着手研究，不久的将来只能成为现实。31，多功能砖多功能砖用于构建具有灵活性和智能化的整个房子的结构单元。这种多功能砖的第一层是能感觉到周围声音、热量和光能的功能层，可以控制这些能量的输出，如果是内壁砖，则可以控制和改变墙的功能。第二层是通信层，为居民提供内外通信关系的通道，第三层可用于通过运输通道运输水和其他材料。房东还可以选择带适当“口罩”的砖头。遮罩是砖灰的顶层，可以在墙上创建不同的颜色和图案。感应膜可以接收声波、热和可见光，并减弱或增强。塑料薄膜能产

16、生持久的颜色和图案。接口膜可以连接内部和外部通信线路。面膜的设置和配置不是固定不变的，而是容易剥，换成新的面膜。32，食物碗在未来的厨房看不到传统碗。在纳米塑料的桌子上旋转的碗不仅可以测量食物的存在，而且可以根据用户的需要制作各种形状的碟子，用于准备、烹饪和烹饪。而且，盛这种食物的碗还具有不使用保温和冰箱，保持新鲜的功能。33，座椅不仅功能大幅度增加，舒适性也会增加。使用纳米塑料可以改变椅子座位面的灵活性和弹性，形成多种形式的椅子座位面。由于美学的原因，如果人们坐在座位上或从座位上站起来方便的话，毫微微塑料也可以形成必要的模式或结构，并改变座位本身的结构。由于不同年龄对温度舒适的要求大不相同，

17、这种座椅可以随意提高温度和降温。它甚至对人们喜欢的舒适温度有记忆功能。34，洗手间在洗手间，常见的设施是洗漱台，抽水马桶，淋浴器。采用智能结构后：洗脸时，与洗脸池表面的任何区域接触，可以选择调节水温、水流、水的状态(集中喷射的水流、宽阔的水流等)。洗脸台上的镜子能照亮人的正常反转像，也能照亮真正的非反转像。35，抽水马桶的形状和大小可根据用户自动变化，坐垫自动加热到舒适的温度，整体结构非常轻。安装在室内的任何地方，都可以与多功能砖紧密啮合，解决上下水问题。电脑住宅卫生间里安装了检查身体的电脑系统，每当有人去洗手间的时候，连接在马桶上的身体检查装置就会自动分析大小便，一旦发现异常，就会立即发出警报。淋浴设备只要与多功能砖连接，就可以自动调节和调节上下水、水温、水流