纺织导报-智能复合材料的开发应用及进展.pdf
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1、N o n wo v e n s 形状记忆合金;压电复合材料; 智能纷织品 中图分类号: T S 1 7 6文献标识码: A 文章编号:1 0 0 3一3 0 2 5 ( 2 0 0 4 ) 0 4一0 0 2 0一0 4 东华大学纺织面料技术 教育部重点实验室 王腾晏雄 智能复合材料的开发应用及进展 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
2、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川, 飞机的智能蒙皮2 1 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 3 4 ,以及各种 智能纺织品 5“ 。 1 智能复合材料的组成与原理 外 界条件 变化 ( 热 、光、电 压 力声音 等 改 变 材料 状 态 _ 一 里 一 一.夕 信 息处 理 器 传 感 器 形 状 记 忆 合金、光纤、 压电 材 料 等 敏感 元 件)、 驱动器( 形状记忆
3、合 金、 电致 伸缩材料 p H 致伸 缩材料等组 成 图1 智能复合材料的作用机理 作 者简 介 :王腾 , 男、 1 9 8 0 年 生 ,硕 士在 读 ,上 海 ,2 0 0 0 5 1 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。 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 ( S M
4、A ) , 压电材料、 光纤、电/ 磁致粘流体、 光致变色材料等, 尤 其 是 光 纤 应 用 最 广( 可 感 觉 压 力 、 温 度 户 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、 p H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 3 , 一 z 1 S MA 应用于智能复合材料主要由于其具有形状记忆 效应 ( S ME )和超弹性。S
5、 ME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 Y , 川。 最典 型的S MA是N i T 1 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S MA 一种材料, 可拉成纤维或丝状) , 有良好的感应和驱动性能。 S MA从 功能上概括主要有如下应用。 ZU 纺 织 导 报 Ch in a T e x f ie L e a d e r
6、一 2 0 0 4 N o .4 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark N o n w o v e n s 而且有资料 o I 表明在S MA丝的体积分数不变的 情况 卜 ,将其适当排列,可提高复合材料的抗低速冲击 I 生能。 2 ) 变形控制与结构损伤的探测、 抑制与修复。美国 应用S MA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N
7、iT i 合金纤维铺于环氧树脂基体中制成智能复合材 料 ( S MC),当S MC发生裂纹时, 借助NiT i 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S MC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 囚。 4 ) 生物仿生。例如, 基 f 仿生复合材料的概念,利 用N i T i 材料在生物体中易于生物亲和的特性, 将其埋人 低硬度
8、的硅基材料中,模仿生物组织结构 P a 2 . 1 .2 光导纤维智能复合材料 , , ”1 1 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。光纤具有良好的祸合性,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,制成的各种光纤埋人 式复合材料传感器其作用有 : I )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/ 9 / 。也可监测结 构使用时所处的
9、状态,如疲劳和温度等情况 6 ,如1 9 9 4 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, 卜 加人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M。 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 n n ,通过测 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 10 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侧器探侧 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
10、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 3 是将带胶液空 心光纤埋人复合材料中,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G , 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S MA, 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 a 1 该复合材料较多地出现在水泥基材料中。将一定形 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
11、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 卜 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t 之间在最高温度为7 0、 最 大温差为5 0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 功触o 2 . 1 .4 压电智能
12、复合材料 3 , 9 1 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P i s a 大学制成的压电 皮肤
13、传感器,对环境温度和压力其有敏感性。 2 . 1 .5 电/ 磁流变体智能复合材料 b 1 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/ 磁场后又可在瞬问内恢 复到液体。利用这一 窟彦 纺 织 导 报C h in a T e x ti le L e a d e r 2 0 0 4 N o .4 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the water
14、mark N o n u lo v e n s “ T e ch n ica l-Z _ s_ 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小到大发生连续变 化,从而达到对振动状态实施主动监控和振动抑制。 2 . 1 . 6 p H响应凝胶纤维智能复合材料 1 5 1 p H响应性凝胶纤维是随p H值的变化而产生体积或 形态改变的凝胶纤维, 即其在水中由于p H 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
15、化约为8 0%, 收缩响应时间 不到2 s ,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。 2 . 2 智能服装、纺织品领域 智能材料除了在产业领域展现广阔的应用外,在传 统服装领域中的应用正在使现代服装向智能化迈进,具 体应用比 “ 13 - 14 1 主要有以 下几 个方面。 2 .2 . 1 自 动调温纺织品
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