一、介紹

過去在復合材料領域中基本上是結構復合材料一統的局面，目前已經逐步被功能復合材料所改變，而功能復合材料還正在向多功能復合材料方向發展，使材料不僅是一種結構而且還具有功能或多種綜合功能。

智能復合材料即是一類能感知環境變化，通過自我判斷得出結論，并自主執行相應指令的材料。其具備了生命智能的三要素：感知功能（監測應力、應變、壓力、溫度、損傷）、判斷決策功能（自我處理信息、判別原因、得出結論）和執行功能（損傷的自愈合和自我改變應力應變分布、結構阻尼、固有頻率等結構特性），集合了傳感、控制和驅動功能，能適時感知和響應外界環境變化，作出判斷，發出指令，并執行和完成動作，使材料具有的自檢測、自診斷、自監控、自愈合及自適應能力，是復合材料技術的重要發展，其發展將全面提高復合材料的設計以及應用水平。

二、智能復合材料主要功能

智能復合材料通常是在成型過程中，將傳感材料、致動材料緊密地融合到預浸料鋪層、濕片鋪層、纖維鋪放、纖維纏繞和樹脂傳遞模塑（RTM）等復合材料上，同時通過與之集成的控制器，使復合材料在承受機械載荷的同時，能自診斷、自適應、自愈合，實現復合材料的智能化。

（1）結構監測和壽命預測

結構監測技術可以對復合材料構件內部的應變、溫度、裂紋進行實時測量，探測其疲勞和受損傷情況，從而實現對結構進行監測和對壽命進行預測。例如：監測復合材料結構在制造、加工及在運輸、貯存期間可能產生的結構損傷，及時檢測出可能產生的基體與纖維斷裂、分層，內襯層與復合材料層脫粘，以及受到的沖擊損傷等。

目前一些先進國家采用光纖智能材料與結構進行復合材料的狀態監測與損傷估計，即在材料或結構的關鍵部位埋置光纖傳感器或其陣列，進行全壽命期實時監測、損傷評估和壽命預測。

美國Acellent技術公司 對固體火箭發動機和液體燃料貯箱結構完整性監測進行了研究。所檢測的纖維纏繞復合材料容器直徑380 mm，長500 mm。在殼體中周向等間隔埋設8條帶子，每條帶上約等間距地有5個直徑6.4mm、厚0.25mm的壓電傳感器，40個傳感器大致成為一個彼此等間距的正方形網格，其中4條帶子埋在鋁內襯的環向纏繞層上，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個直徑約12 mm的損傷，將檢測到的損傷前后的傳感器信號進行比較，并對各傳感器的距離作歸一化處理，組合各信號圖即可顯示沖擊損傷的大致位置和損傷程度。

德國的ECHE等研制出一套基于12個FBG傳感器的空間分布式傳感網絡系統，用于x一38飛行器本體結構的健康監測。FBG傳感器被黏貼于X-38飛行器背部元件的表面，用于監測飛船在發射和返航過程中的力學載荷和熱載荷。通過測量高載荷結構部件的空間溫度分布和應變，可估算飛行器主要結構部件的剩余壽命，實現了對飛行器的健康監測。日本TOSHIMICH等利用壓電陶瓷（PZT）致動器／FBG傳感器，實現了對新一代航天器先進復合材料結構的損傷監測。為監測航天器的復合材料內部出現的損傷，將FBG傳感受器埋入碳纖維增強樹脂鋪層結構中，利用致動器發射彈性波。當在彈性波傳播方向存在損傷時，彈性波強度會衰減，波速出現變化，可探測損傷的存在。

（2）自愈合

在外界應力等環境因素的影響下材料不可避免地產生裂紋等損傷，從而造成性能下降；損傷的累積還會造成材料失效。采用傳統的機械連接、塑料焊接和膠接等修復技術可以對材料的可見裂紋進行修復，但是對于材料內部的微觀損傷已經不能采用傳統修復技術，因此必須尋找合適的修復方法提高復合材料的整體性能和安全可靠性。

目前主要分為兩種類型，一種是埋植式自修復復合材料；另一種是原位自修復復合材料。前者是通過在基體材料中埋人在一定條件下可以賦予材料自修復功能組分的復合材料，材料一旦產生缺陷，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劑，這種修復劑可流至損傷面，與基體材料中的催化劑接觸可發生聚合反應，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介質的情況下，材料本身能夠在一定條件下進行自我修復的特殊復合材料。

Zako M等研究了微膠囊環氧樹脂體系，采用將浸漬膠黏劑的熱塑性小粒子（50um）填充在玻纖／環氧復合材料中，當復合材料受到損傷，埋置在復合材料中的熱塑性粒子在120℃加熱10min熔融，通過三點彎曲測試實驗中的加載一位移曲線和拉伸疲勞試驗表明，修復后強度幾乎恢復到損傷前的水平，充分顯示了自修復的效果和潛力。

（3）形狀記憶

形狀記憶復合材料具有形狀記憶功能，當外界條件變化使得材料的形狀發生改變時，只要將外界條件恢復到初始狀態，材料的形狀就可以自行恢復，其具有可回復應變大、可靠性高、低密度、高比剛度、高比強度和低成本等優點。

形狀記憶復合材料的獨特性能對航天結構尤為適用，其集結構部件和伸展機構于一體，展開過程通過加熱即可實現，無需電機、軸承、位置傳感器與復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部分子間相互作用，而并非馬氏體相變。彈性記憶復合材料可采用常規的復合材料工藝制作，在固化成型后其力學性能接近于普通高性能復合材料，不同的是當溫度升至高于玻璃化溫度時，呈現出低模量和高破壞應變，可按各種設計要求卷曲折疊，在降至玻璃化溫度以下后保證形狀不會發生變化。再次加熱至高于玻璃化溫度時，因其聚合物基體有記憶功能，無需施加任何外力材料會恢復至初次固化成型的形狀。隨著溫度改變，該過程可反復進行，不會對材料性能產生影響。

（4）結構自適應、減振降噪

航天領域對結構減振的需求更迫切，因為大型空間結構幾何尺寸的增加和大量采用小阻尼的輕型結構，其振動頻率與控制頻率越來越接近，甚至部分重疊，不可避免會產生伴隨振動，這已成為空間結構實際應用中重要的問題。可采用被動控制和主動控制兩種方式抑制結構振動。壓電材料是使用最多的一種傳感和驅動元件，通過埋人壓電傳感器，獲得結構振動信息，在此過程中通過負載電阻消耗了電能，實現了振動的部分抑制。

參考文獻

[1] 吳人潔。復合材料的未來發展[J].機械工程材料，1994，18（1）：16-20.

[2] 楊紅，粱大開，陶寶棋等。光纖智能結構自診斷、自修復的研究[J].功能材料，2001，32（4）：419—421.

[3] 冷勁松，孫健，劉彥菊。智能材料和結構在變體飛行器上的應用現狀與前景展望[J].航空學報，2014，35（1）：1-15.

[4] 高琳。[J]智能復合材料在航空、航天領域的研究應用[J] 纖維復合材料2014.22（1）：22-24.