智能材料在军事领域的应用

智能材料在军事领域的应用

智能材料（Intelligent material），是一种能感知外部刺激，能够判断并适当处理且本身可执行的新型功能材料。。智能材料在目前文献中的提法大都为机敏材料( Smart Material )、机敏结构( Smarts Structure)、自适应结构(A daptive Strueture)、智能材料( Intelligent Material )、智能结构( Intelligent Strueture),这些概念国内外至今尚无统一的定论。不容质疑智能材料是未来的重要科学领域。此次来介绍智能材料在军事领域的应用。

作为一种新兴技术材料,智能材料的应用日益引起人们的广泛兴趣,在军事、医学、建筑和纺织服装等领域都有着广阔的发展前景。

智能材料在军事应用中具有很大的潜力,其研究、开发和利用,对未来武器装备的发展将产生重大影响。目前,在各种军事领域中,智能材料的应用主要涉及到以下几个方面。

一·

智能蒙皮光纤作为智能传感元件用于飞机机翼的智能蒙皮中,或者在武器平台的蒙皮中植入传感元件、驱动元件和微处理控制系统制成的智能蒙皮,可用于预警、隐身和通信。1985年美国空军的“预测计划II”首先提出了光纤智能蒙皮/结构的概念。随着进一步的研究发展,1994年美国空军动力飞行实验室进行了结构飞行演示,麦道公司对F-15战斗机的外侧前缘、F-18战斗机的蒙皮进行了智能结构飞行

试验。目前,为了未来的弹道导弹监视和预警卫星系统,美国弹道导弹防御局正在研究在复合材料蒙皮中植入核爆光纤传感器、X射线光纤探测器、激光传感器、射频天线等多种传感器的智能蒙皮。这种智能蒙皮可以被安装在天基防御系统空间平台的表面上,实时监视和预警来自敌方的各种威胁,美国空军莱特实验室正在把一个承载天线结合到表层结构中,与传统外部嵌置的天线相比,这种一体化结构的天线能够有效提高飞行器的空气动力性能、减轻飞行器结构重量和体积、提高天线性能、降低生产成本和维修费用。该计划预计在2013年进行模型样机的试飞。

二·结构检测和寿命预测

智能结构可以对构件内部的应变、温度、裂纹进行实时测量,探测其疲劳和受损伤情况,从而实现对结构进行监测和对寿命进行预测。光纤具有尺寸小、质量轻、可挠曲、耐腐蚀,不受电磁干扰,与复合材料有良好相容性等特点,且灵敏度高、耐高温,易实现远距离测量而受到人们的青睐。目前一些先进国家采用光纤智能材料与结构进行复合材料的状态检测与损伤估计,即在材料或结构的关键部位埋置光纤传感器或其阵列进行全寿命期实时监测、损伤评估和寿命预测。空间站等大型在轨系统采用光纤智能结构,可实时探测由于交会对接碰撞、陨石撞击或其他原因引起的损伤,对损伤进行评估,实施自诊断。压电元件由于既可作传感器又可作驱动器,频响高,处理电路简单,近年来基于压电元件的结构损伤实时在线检测成为国际上的热点。美国斯坦福大学采用分布式压电传感器、驱动器进行了复合材料结构所受冲击机

冲击损伤情况的研究,荷兰国家宇航实验室、美国波音公司、美国Sandia及LosAlamos国家实验室等研究机构也都在进行这方面的研究。

形状记忆合金(SMA)应用于智能复合材料是由于其在低温下的形状记忆功能和其在高温下的超弹性,应用最为广泛的是NiTi合金。美国应用SMA制成了夹心结构树脂基复合材料用于“柔性机翼”。该机翼在各种飞行速度下可自动保持最佳翼型,提高飞行效率,并可自行抑制出现的危险振动。

三·减振降噪

智能结构用于航空航天系统可以消除系统的有害振动,减轻对电子系统的干扰,提高系统的可靠性;用于舰艇,可以抑制噪声传播,提高潜艇和军舰的声隐身性能。国外正在研究的具有减振降噪功能的智能结构主要由压电陶瓷、形状记忆合金和电致伸缩等新材料制成。如Lord 公司用超磁致伸缩材料研制的一套智能减震系统,安装在飞机发动机支架上,使机舱内的噪声减小20dB以上[7]。将压电材料置入飞机机身内,当飞机遇到强气流而振动时,压电材料便产生电流,使舱壁发生和原来振动方向相反的振动,抵消气流引起的振动噪音[6]。(4)环境自适应结构由智能结构制成的自适应飞机机翼,能实时感知外界环境的变化,同时驱动机翼发生弯曲、扭转以改变翼型和攻角,从而获得最佳的气动特性,自适应机翼将大大减轻重量,提高响应速度,减少转弯半径,改善雷达散射截面,增大升阻比。例如当飞机在飞行过程中遇到涡流或猛烈的逆风时,机翼中的智能材料就能迅速变形,并带动机翼改

变形状,从而消除涡流或逆风的影响,使飞机仍能平衡地飞行。美国Grumman飞机公司用超磁致伸缩智能型材料作驱动组元制造的自适应机翼模型,其响应速度比传统的液压系统提高了20倍,后缘倾转60%,航程增加了35%。美国波音公司和麻省理工学院联合研究出在桨叶中嵌入智能纤维,可使电致流变体时桨叶扭转变形达几度。四·雷达波智能隐身材料

雷达是迄今为止最为主要和有效的远程电子探测设备，随着雷达技术的改进和发展，现代雷达对各种军用目标构成了致命的威胁，雷达波隐身仍然是目前隐身技术发展的重点，雷达波智能隐身是雷达波隐身发展的一个重要方向。对于目标而言，可能同时面临着多部雷达的威胁和探测，面对这种局面，材料的单一化雷达被动隐身已经越来越不能适应现代战争的要求，有些国家对雷达波智能隐身的研究已经取得了一定的成果。据报道，用智能纤维增强的一种导电聚合物作为隐身的结构材料在雷达波智能隐身中得到了应用，不仅降低了雷达散射的截面，同时还把飞机的质量减轻了５０％，并对声波也具有良好的隐身效果。雷达波智能隐身的一大热点是动态适应雷达吸波材料，该种材料能够感应入射的电磁波，实时调节材料的电磁参数，使材料吸收峰处在人射波电磁频谱，以对特定频率电磁波的强吸收。英国谢菲尔德大学研制的一种成分ＰＡＮｉ．ＨＢＦ４，ＰＥＯ（ｐｏｌｙ—ｅｔｈｙｌｅｎｅ—ｏｘｉｄｅ），银（１２％，质量分数）和ＡｇＢＦ（１２％，质量分数）的导电聚合物Ｊ，对于含４０％ＰＡＮｉ．ＨＢＦ的

导电聚合物，该导电聚合物能够作为动态自适应雷达吸波材料，其本质在于对其施加电压后其电磁参数可以调节，其原理是一旦对导电聚合物施加电压后会发生如下反应：ＰＡＮｉ．ＨＢＦ＋Ａｇ＿￣ＰＡＮｉ．Ｈ。＋ＡｇＢＦ，其中左边易导电，右边不易导电，施加电场后向易导电的方向发展。通过施加电压不同，调节了导电聚合物的电磁参数，从而能够使电磁波在聚合物内的波长发生改变，用两层导电聚合物配置成Ｊａｕｍａｎｎ雷达吸收体－６』，上层厚度为ｄ，下层厚度为ｄ，每层导电聚合物的电磁参数都可以调节，这样可使该吸收体具备了宽频下强吸收的能力。图１为吸收峰可调的两层Ｊａｕｍａｎｎ雷达吸收体每层最佳的电阻与频率关系图。图２为用导电聚合物配置的Ｊａｕｍａｎｎ雷达吸收体在施加不同电压后，其反射率与频率的关系。

从图１、图２可以看出，通过调节电压，可动态调节每层导电聚合物的电阻（电磁参数），从而达到了反射率吸收峰在不同频率下可调的目的

五·红外智能隐身材料

随着红外探测技术的不断进步以及背景环境的快速变化，传统意义的红外伪装一单一被动抑制目标红外辐射、改变辐射特性已经越来越不能适应现代战场的要求，对红外隐身材料的研究也在不断发展，尤其是在动态红外智能隐身材料研究方面。１９９５年，Ｐ．Ｃｈａｎｄｒａｓｅｋｈａｒ对导电高分子电致变色材料的红外发射性能进行研究，发现在中远红外宽频范围（０．４１ｘｍ一４５Ｉｘｍ）具有可控的红外发射率变化（０．３—０．７）以适应背

景的红外发射率，实现动态红外伪装。美国陆军应用导电高分子电致变色材料（ＰＥＤＴ／ＰＰＳ）制作士兵服装，使士兵能够在夜间不被敌方的探测器发现。对舰船、坦克、车辆等武器装备在不同环境下的伪装要求，采用导电高分子电致变色涂层（聚苯胺／聚二苯胺涂层）Ｊ，利用其红外发射率不同而达到夜间或白天红外伪装的目的，此种材料还可使武器装备表面涂层呈现不同的可见光迷彩伪装效果。为了调节目标表面温度变化范围，可以采用考虑大热惯量材料，其中相变材料是其中一种很有发展前途的材料，相变材料是在某一温度发生相变时，吸收热量，因而达到蓄热调温的作用，使物体表面温度下降，辐射率减小，达到红外隐身的效果，而且此过程是可逆的，Ｍｃｋｉｎｎｅｙ等将相变高分子材料（主要是链烷烃和某些塑性晶体如２，２二甲基一１，３丙二醇（ＤＭＰ）、２烃甲基－２－甲基一１，３丙二醇（ＨＭＰ））用无机或有机高分子材料进行包覆制成微胶囊，再将这种微胶囊作为填料加入到涂料中，或者加人到树脂中挤压形成纤维，将涂料或织物覆盖于物体表面，当温度升高时，相变高分子材料发生相变吸热，塑性晶体分子结构发生变化吸热，降低表面温度，温度降低时，相变高分子材料发生相变放热，升高表面温度，利用高相变热储材料的可逆过程¨引，达到红外伪装的目的，当然在具体应用时，还应该考虑隐身材料所应用目标的温度和环境因素等来动态调节物体表面温度。虽然这种高分子材料还未见应用于红外智能隐身材料的报道，不过从材料特性看，这种高分子材料具有未来应用于

红外智能隐身的潜力。

六·可见光智能隐身材料

为了提高目标在可见光背景下的伪装能力，有些国家致力于伪装材料在可见光背景下的环境自适应技术研究，其中电致、光致变色高分子材料成为可见光智能隐身的一个重要研究方向。据报道，美国空军研究了一种导电聚苯胺复合材料，可用于调节飞机蒙皮的亮度和颜色，它是通过安装在飞机各个侧面的可见光传感器控制它的光电等特性，在不加电时，它是透光的，在加电时，可同时改变亮度和颜色，使用这种蒙皮的飞机，在飞行中从上往下看，它的上部颜色与它下面地表的主体颜色相近，从下往上看，它的底部颜色与太空背景一致，而且蒙皮加电时，能够散射雷达波，使跟踪雷达的探测距离缩短一半以上。美国佛罗里达大学研制出一种电致变色聚合物材料，将这种材料制成薄板覆盖在目标表面，板在加电时能发光并改变颜色，在不同电压的控制下会发出蓝、灰、白等不同颜色的光，必要时还可产生淡淡不同的色调，以便与太空的色调相一致，能够消除目标与背景的色差，达到可见光隐身的效果¨¨。美国研制出一种电致变色高分子材料可用于可见光伪装智能材料，据称，在聚氨酯分子中嵌入高活性的丁二炔链段，在适当的条件下，丁二炔聚合成聚丁二炔，形成具有自由电子的共轭结构，从而改变了整个材料的颜色和光强度，在此基础上，在材料系统中加入传感器和控制器，使用带有ＳｉＣ光探测器的窄带通滤波器可以识别环境的波长和光强度，再将输出信号经模拟数字转换器传输给微

处理器进行识别和数据处理，并发出控制指令以改变材料的颜色和强度，从而达到智能隐身的效果Ｈ。目前正在研究的可用于可见光智能隐身的光致变色高分子材料主要还有：含硫卡巴腙配合物的光致变色高分子材料；含偶氮苯的光致变色高分子材料；含螺苯并吡喃的光致变色高分子子材料。

智能材料作为材料领域的重要领域正在迅猛发展，而随着现代战争需求的改变，必将在国防领域发挥更大的作用。