智能复合材料的开发应用及进展

２００４年第９、１０期　新纺织　·　１３　·　智能复合材料的开发应用及进展　王腾晏雄（东华大学纺织面料技术教育部重点实验室）　摘要：智能复合材料是拟人化的高科技材料，它能根据设计者的思路要求实现自检测、自诊断、自　调节等各种特殊功能。文章介绍了智能复合材料的原理、组成，分析了几种智能复合材料如：压电复合　材料、形状记忆合金、光纤材料、电流变体等的开发研究概况及其在纺织品中的应用。　关键词：智能复合材料：形状记忆合金、压电复合材料：智能纺织品　

０　引言　智能复合材料是一类基于仿生学概念发展起　来的高新技术材料，它实际上是集成了传感器、　信息处理器和功能驱动器的新型复合材料。其通　过传感器感知内外环境状态的变化，将变化所产　生的信号通过信息处理器做出判断处理，并发出　指令，而后通过功能驱动器调整材料的各种状态，　以适应内外环境的变化，从而实现自检测、自诊　断、自调节、自恢复、自我保护等多种特殊功能，　类似于生物系统。智能复合材料是微电子技术、　计算机技术与材料科学交叉的产物，在许多领域　展现了广阔的应用前景，如机械装置噪音与振动　的自我控制等，飞机的智能蒙皮与自适应机翼，　桥梁与高速公路等大型结构的自增强、自诊断、　自修复功能，以及各种智能纺织品。　７７７７７７７７７７　害；纤维制成品用后可回收或自然降解，不会对　环境造成污染；它们的原料主要来自再生资源，　不会造成生态平衡的失调和掠夺性资源的开发。　因此，从环保这一方面来讲，新型再生纤维素纤　维迎合了可持续发展的需求，环保的需求，发展　前景非常好。　３结束语　１　智能复合材料的组成与原理　智能复合材料的作用机理如图１所示：智能　复合材料的功能实现是依靠信息的传递、转换和　控制。因此其功能实现的关键是信息的采集与流　向。　

界条件变化＼一　适应外界变　一信　＾　息｝／／　芝兰＝三！　

传感嚣（形状记忆＼　合金、光纤、压电Ｊ　材料辱敏感元件）／　

改变材辩状态　控　翻　

驱动嚣（形状记忆畲　金．电致伸缩材辩、　ｐＨ致伸缩材辩等组　

图１　智能复合材料的作用机理　

新型再生纤维素纤维作为纺织品的一种新原　料，有着优良的服用性能或保健功能，满足了消　费者的要求。另外，新型再生纤维素纤维由于其　鲜明的时代特征——绿色环保性，近年来，不论　在生产研究上，还是产品开发和消费上均有了较快　的发展。且通过从资源、市场、环保三方面进行分　析，新型再生纤维素纤维有着巨大的发展潜力。■　

维普资讯 http://www.cqvip.com ·１４·　新纺织　智能复合材料主要由基体、传感器、信息处　理器和驱动器组成。基体材料较多采用高分子物，　主要作用是承载。传感器的主要作用是感知环境　的变化（如温度、热、声音、压力、光等），并将　其转换为相应的信号。这类材料（一般有敏感的　感知能力）有形状记忆合金（ＳＭＡ）、压电材料、　光纤、电／磁致粘流体、光致变化材料等，尤其是　光纤应用最广（可感觉压力、温度、密度、弯曲、　射线等）。信息处理器是核心的部分，它对传感器　输出信号进行判断处理。构成驱动器部分的驱动。　材料在一定条件下可产生较大的应变和应力，从　而起到响应和控制作用，如形状记忆合金、磁致　伸缩材料、ｐＨ致伸缩材料等。　２智能复合材料的主要种类和应用　２．１产业领域　２．１．１形状记忆合金纤维增强智能复合材料　ＳＭＡ应用于智能复合材料主要由于其具有　形状记忆效应（ＳＭＥ）和超弹性。ＳＭＥ是指在低　温时马氏体产生的塑性变形，在温度上升到母相　开始转变的温度后，如果不受外力作用，将发生　形变回复，如果受外力作用形变不能回复，则输　出应力。超弹性是指处于母相状态并受应力诱发　产生马氏相变的形状记忆合金，其宏观可回复形　变远大于一般金属材料的弹性变形极限。最典型　的ＳＭＡ是ＮｉＴｉ合金，它感应灵敏度高，微应变　大，可回复应力大，致动机理简单（驱动器只需　ＳＭＡ一种材料，可拉成纤维或丝状），有良好的　感应和驱动性能。ＳＭＡ从功能上概括主要有如下　应用。　１）材料的增强。埋有ＳＭＡ的复合材料结构　中的ＳＭＡ被激励时将对整个结构的性能产生较　大的压应变，如将ＳＭＡ丝合理地布置于结构中可　显著增强复合材料的强度：而且有资料表明在　ＳＭＡ丝的体积分数不变的情况下，将其适当排列，　可提高复合材料的抗低速冲击性能。　２）变形控制与结构损伤的探测、抑制与修复。　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自　动保持最佳翼型，大幅度提高飞行效率，并可对　出现的危险振动自行抑制；将适量ＮｉＴｉ合金纤维　铺于环氧树脂基体中制成智能复合材料（ＳＭＣ），　当ＳＭＣ发生裂纹时，借助ＮｉＴｉ合金的电阻应力　波的变化诊断材料的损伤，同时由于通电加热产　生形状记忆收缩力，使裂纹收缩，使ＳＭＣ自动　愈合。　３）结构噪声与振动的主动控制。美国人在建　筑物的合成梁中埋植形状记忆合金纤维，在热电　控制下，能像人的肌肉纤维一样产生形状和张力　的变化，从而根据建筑物受到的振动改变梁固有　刚性和固有振动频率，减小振幅，使框架结构的　寿命大大延长。　４）生物仿生。例如，基于仿生复合材料的概　念，利用ＮｉＴｉ材料在生物体中易于生物亲和的特　性，将其埋入低硬度的硅基材料中，模仿生物组　织结构。　２。１．２光导纤维智能复合材料　智能复合材料中的传感器是嵌埋在复合材料　中的，这要求与基体之间具有良好的兼容性。传　统传感器大多不易与材料复合。光纤具有良好的　耦合性，由其制成的传感器，可以测量温度、应　力、应变等多种物理量且具有极高的灵敏度，并　综合了感知和传输双重功能，因此作为传感材料　是最有效的。目前，制成的各种光纤埋入式复合　材料传感器其作用有：　１）实时监测、报告材料状态和结构在线综合　评估。例如对复合材料制造过程进行监测，随时　报告加工中出现的缺陷，如裂纹、孔洞、缝隙等　情况。也可监测结构使用时所处的状态，如疲劳　和温度等情况，如１９９４年，在德国一座由预应力　碳纤维复合材料和钢筋结构组成的桥中加入了光　纤布拉格光栅应变传感器，检测碳纤维预应力的　损失情况，并用于长期追踪应力的变化。此外加　拿大多伦多大学与波音公司合作研制了具有光纤　“自诊断”系统的机翼前缘的损伤自评系统，通　

维普资讯 http://www.cqvip.com ２００４年第９、１０期　新纺织　·　１５　·　过测量光纤输光时的各种性能变化进行在线损伤　评估。　２）制作隐形复合材料。其原理是将由发光光　纤和接受光纤两部分组成的光纤埋入复合材料　时，光纤端面位于材料表面，发光光纤发射出不　在红外探测器探测范围之内的光波，在远离材料　的表面形成一道光波墙，达到隐形目的。而接受　光纤则接受制导激光信号，以便采取相关干扰措　施。　３）制作自修复智能结构。其原理是将带胶液　空心光纤埋入复合材料中，当结构发生损伤时，　由空心光纤网络的输出信号检测出损伤发生的位　置，同时空心光纤作为输送修复胶液的通道将光　纤所含胶液流到损伤处，修复复合材料。为提高　修复质量，可在复合材料中适当布置ＳＭＡ，利用　其受激励时产生压应力和热量，使胶液能够轻易　流出，并提高固化的质量。　２．１．３碳纤维增强智能复合材料　该复合材料较多地出现在水泥基材料中。将　定形状、尺寸和掺量的短切碳纤维掺入水泥基　材料中，不仅材料的强度得到提高且具有应力、　应变和损伤自检测功能。这是因为水泥基复合材　料的电阻变化与其内部结构变化是相对应的，如　电阻率的可逆变化对应于可逆的弹性变形，而电　阻率的不可逆变化则对应于非弹性变形或断裂，　其测量范围很大，因此可敏感有效地监测拉、弯、　压等静态和动态载荷作用下材料的内部变化。此　外将切短的碳纤维适量掺入水泥材料还将使其具　有热电效应，即：温差电动势Ｅ与温差Ａｔ之间在　最高温度为７０＂Ｃ、最大温差为５０℃的范围内存在　稳定的线性关系。利用这种特性该种水泥材料可　实时监测建筑物内外和路面表层、底层的温度变　化。此效应还可利用太阳能和室内温差为建筑物　提供电能，即具有温度自调节功能。　２．１．４压电智能复合材料　该复合材料具有压电效应。当在材料上施加　外力时，材料产生电压的现象称为正压电效应；　而对材料表面施加电场产生应变或应力称为反压　电效应。即其具有将电能和机械能变换的特性，　故可应用于智能结构中，特别是自适应、减振与　噪声控制等方面。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，使舱壁发生和原来的振动方向相反的振动，　抵消气流引起的振动噪音。将压电材料应用于滑　雪板，滑雪板受振同时就产生减振反作用力，增　强滑雪者的控制能力。利用压电陶瓷易于改性且　易于与其它材料兼容的特点，可制成自适应结构。　意大利Ｐｉｓａ大学制成的压电皮肤传感器，对环境　温度和压力具有敏感性。　２．１．５　电／磁流变体智能复合材料　电／磁流变体在外加电／磁场作用下，内部会出　现一种沿电／磁场方向的纤维状结构，使得体系粘　度在短时间内急剧增大，同时伴随屈服应力、弹　性模量显著增加，而当撤去外电／磁场后又可在瞬　间内恢复到液体。利用这一特点，与其它材料复　合可实现材料的智能化。如电流变材料能使复合　材料整体结构的刚度由ｄ，Ｎ大发生连续变化，从　而达到对振动状态实施主动监控和振动抑制。　２．１．６　ｐＨ响应凝胶纤维智能复合材料　ｐＨ响应性凝胶纤维是随ｐＨ值的变化而生产　体积或形态改变的凝胶纤维，即其在水中由于ｐＨ　值的不同产生可逆的收缩和溶胀，使得化学能和　机械能发生相互转换。因为凝胶纤维是软的，因　此可不必破坏它而加工成精巧的机械部件，如制　作机械手以操作非常容易损坏的东西。有些凝胶　纤维的溶胀长度变化约为８０％，收缩响应时间不　到２ｓ，因此也可作为人工肌肉。通过慎重选择组　分和加工技术，还可合成满足多种功能的智能复　合材料，例如，由凝胶纤维和分散在凝胶基质中　的导电纤维（例如碳纤维）组成的复合材料　当　纤维的临界体积分数较大时，体系是导电的，当　对外界刺激响应使基质溶胀时，纤维的有效体积　分数减小，纤维不再保持足够的接触，导致导电　性突然降低。　

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