智能复合材料在航天航空领域的优势分析

  航空材料泛指被用于制造航空飞行器的材料,以飞机举例,一架军用飞机的核心包括机体、发动机、机载电子及火力控制四个部分,一架民用客机的核心则包括机体、发动机、机载电子和机舱四个部分。航空材料具有较高的质量要求,轻质高强度高温耐蚀和低成本等优势材料才能真正在航空航天领域发挥出应有作用,未来航空材料将朝着高性能高功能,复合化智能化、低成本以及高环境相容性的方向发展。出于对航空飞行器运作过程中的安全问题考虑,关于航空结构材料选择的特点优先考虑轻质、可靠及高强度,所以选用复合材料在航空航天领域中尤为重要。

  1.自愈合

  在外界应力等环境因素的影响下材料不可避免地产生裂纹等损伤,从而造成性能下降;损伤的累积还会造成材料失效。采用传统的机械连接、塑料焊接和胶接等修复技术可以对材料的可见裂纹进行修复,但是对于材料内部的微观损伤已经不能采用传统修复技术,因此必须寻找合适的修复方法提高复合材料的整体性能和安全可靠性。

  自愈合是智能复合材料的另一种重要功能,可使复合材料部件内部的损伤及裂纹的自愈合成为可能。聚合物基自愈合复合材料是当前的研究热点。目前主要分为两种类型,,种是埋植式自修复复合材料;另一种是原位自修复复合材料。前者是通过在基体材料中埋入在一定条件下可以赋予材料自修复功能组分的复合材料,材料一旦产生缺陷,可以模仿生物体损伤愈合的原理,埋置的材料组分在压力、热等条件下释放出修复剂,这种修复剂可流至损伤面,与基体材料中的催化剂接触可发生聚合反应,起到粘合裂纹的目的。后者是指在基体材料中不另外加入任何修复介质的情况下,材料本身能够在一定条件下进行自我修复的特殊复合材料。自修复复合材料使得材料自身对内部或者外部损伤能够进行自修复或自愈合,从而消除隐患,提高材料的机械强度,延长使用寿命,其在军工、航天、电子仿生等领域具有巨大的应用潜力。

  2.形状记忆

  形状记忆复合材料具有形状记忆功能,当外界条件变化使得材料的形状发生改变时,只要将外界条件恢复到初始状态,材料的形状就可以自行恢复,其具有可回复应变大、可靠性高、低密度、高比刚度、高比强度和低成本等优点。形状记忆复合材料的独特性能对航天结构尤为适用,其集结构部件和伸展机构于一体,展开过程通过加热即可实现,无需电机、轴承、位置传感器与复杂的电子控制装置和软件。它是基于聚合物材料中分子链的取向与分布即内部分子间相互作用,而并非马氏体相变。弹性记忆复合材料可采用常规的复合材料工艺制作,在固化成型后其力学性能接近于普通高性能复合材料,不同的是当温度升至高于玻璃化温度时,呈现出低模量和高破坏应变,可按各种设计要求卷曲折叠,在降至玻璃化温度以下后保证形状不会发生变化。再次加热至高于玻璃化温度时,因其聚合物基体有记忆功能,无需施加任何外力材料会恢复至初次固化成型的形状。随着温度改变,该过程可反复进行,不会对材料性能产生影响。

  3.结构自适应、减振降噪

  结构自适应是指航天器在飞行过程中根据工作环境要求改变自身的构型和外形,以达到最优性能。如在空间望远镜支撑结构中埋人传感器和致动器,可精确感受结构状态,并按系统要求自动调整结构的几何形状,维持结构的准确外形和位置。所用传感和致动元件主要有压电聚合物、压电陶瓷、记忆合金、电流变流体和光纤,其在各种空间结构中的应用已越来越多。

  航天领域对结构减振的需求更迫切,因为大型空间结构几何尺寸的增加和大量采用小阻尼的轻型结构,其振动频率与控制频率越来越接近,甚至部分重叠,不可避免会产生伴随振动,这已成为空间结构实际应用中重要的问题。可采用被动控制和主动控制两种方式抑制结构振动。压电材料是使用最多的一种传感和驱动元件,通过埋人压电传感器,获得结构振动信息,在此过程中通过负载电阻消耗了电能,实现了振动的部分抑制。