智能材料结构综述.docx

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智能材料结构综述

智能材料结构综述

摘要

本文综述了智能材料结构及系统的相关问题，阐述了智能材料的基本概念、分类方法和关键技术；描述了智能材料的实际应用现状和未来发展。

智能材料的研究内容十分丰富，涉及许多前沿学科和高新技术，应用领域十分广阔。

智能材料结构系统的研究应用必将把人类社会文明推向一个新的高度。

关键词：

智能材料结构；关键技术；实际应用；未来发展

Abstract

Inthispaper,therelatedissuesdealtwithsmart/intelligentmaterialsanditssystemsarereviewed.Thebasicconception,classificationandkeytechnologyofthematerialsisexplained.Thepresentsituationandthefuturedevelopmentoftheintelligentmaterialsisdescribed.Theresearchcontentofthematerialsisabundant.

ThematerialsdealwithmanyforwardsubjectandhightechniquesandCanbeusedinvariousaspects.Theresearchofsmart/intelligentmaterialsystemswillcertainlycarryhumanbeings’civilizationtoanewsummit.

KeyWards:

smart/intelligentmaterials;keytechnology;presentsituation;futuredevelopment

1引言

材料是人类一切生产和生活水平提高的物质基础，是人类进步的里程碑。

随着科技的发展，特别是20世纪80年代以来，现代航天、航空、电子、机械等高技术领域取得了飞速的发展，人们对所使用的材料提出了越来越高的要求，传统的结构材料或功能材料已不能满足这些技术的要求，材料科学的发展由传统单一的仅具有承载能力的结构材料或功能材料，向多功能化、智能化的结构材料发展。

20世纪80年代末期，受到自然界生物具备的某些能力的启发，美国和日本科学家首先将智能概念引入材料和结构领域，提出了智能材料结构的新概念。

智能材料结构又称机敏结构（Smart/IntelligentMaterialsandStructures），泛指将传感元件、驱动元件以及有关的信号处理和控制电路集成在材料结构中，通过机、热、光、化、电、磁等激励和控制，不仅具有承受载荷的能力，而且具有识别、分析、处理及控制等多种功能，能进行自诊断、自适应、自学习、自修复的材料结构。

智能材料结构是一门交叉的前沿学科，所涉及的专业领域非常广泛，如:

力学、材料科学、物理学、生物学、电子学、控制科学、计算机科学与技术等，目前各国都有一大批各学科的专家和学者正积极致力于发展这一学科。

2智能材料结构的概念和分类

2.1智能材料结构的概念

智能材料结构是将传感元件、驱动元件和控制系统结合或融合在基体材料中的一种结构。

这种结构不仅具有承受载荷的能力，还具有识别、分析、判断、动作等额外功能。

具体地说,就是具有检测（应变、损伤、温度、压力及各种制导光源）、通信（数据传输）、动作（改变结构外形和结构应力分布、改变电磁场及光学反射能力和数字选择能力、改变透气性和通风）等功能，即结构件本身具有自诊断、自适应、自修复、自增殖、自衰减等能力。

如将基体材料看作人体的骨骼，则智能材料结构就相当于由神经、肌肉、大脑和骨骼组成的系统。

因此可将智能材料结构定义为：

将具有仿生命功能的材料融合于基体材料中，使制成的构件具有人们期望的智能功能，这种结构称为智能材料结构。

仿生命功能是人们期望的功能，如光纤埋入复合材料中就具有了解结构中的应变和温度的功能，埋入的形状记忆合金丝可以使结构动作、改变结构的形状和应变等。

因此，融合于材料中的传感元件相当于人体神经系统，具有感官功能；驱动元件相当于人体的肌肉；计算机系统相当于人的大脑，它将根据从传感元件得到的信息指挥驱动元件动作。

从工程角度来说，智能材料结构是将仿生命功能的材料融合于基体材料中，使制成的构件具有人们期望的智能功能；从解剖学角度来看，智能材料相当于一个由骨骼（Skeleton）神经（Nerve）肌肉（Mussel）和大脑（Brain）组成的系统。

这其中基体材料（Matrix）相当于人体的骨骼，融合于基体材料中的传感元件（Sensor）相当于神经系统，具有感官功能，驱动元件（Actuator）相当于人体的肌肉，处理和控制系统（ProcessingandControlSystem）可视为人的大脑，它根据从传感元件得到的信息经分析判断后指挥驱动元件动作，实现自诊断（Self-Diagnosis）、自修复（Self-Renovation）、自适应（Self-Adaptation）等功能。

图1：

智能材料动作流程

2.2智能材料的分类

智能材料按产生方式可分为天然（生物）智能材料和人工智能材料，前者主要指有机活体，如人和动物的皮肤、骨骼、肌肉、脏器、血液、毛发等；后者是人为制造的具有智能功能的材料（一般简称为智能材料）是高科技发展的产物，它大多是在前者的启发下而发展的，这时又称为生物拟态材料。

智能材料结构按驱动方式可以分为两种类型，一类是嵌入式智能材料，又称主动式智能材料，另一类是材料本身具有一定的智能功能，又称被动式智能材料。

前者在基体材料中嵌入具有传感、动作和控制处理功能等三种原始材料，传感元件采集和检测外部环境给予的信息，控制处理器指挥激励驱动元件执行相应的动作，即材料在感知所发生的变化后，需要通过外界的反馈系统作用在材料上使其发出所需的变化，如压电陶瓷传感器与压电陶瓷驱动器结合起来，通过外部反馈电路进行驱动。

后者是某些材料微结构本身就具有智能功能!

能够随着环境和时间改变自己的性能，例如自滤波玻璃、变色太阳镜和受辐射时性能自衰减的InP半导体等。

3智能材料结构的关键技术

3.1智能传感技术

传感技术是实现智能结构实时、在线和动态监测的基础。

而其中用于感受周围环境变化以实现传感的一类功能元件叫传感元件，它相当于人的神经系统。

通过埋入（或粘贴）于主体材料内部（或表面）的传感元件能够有效地将所感受的物理量（如：

力、声、光、电、磁、热等）的变化转换成另一种物理量（如：

电、光）的变换，它是结构实现智能化的基础元件之一。

智能结构中的传感元件应满足如下要求：

1、厚度薄,尺寸小,不影响结构外形。

2、与主体材料相容性好，埋入后对原结构强度影响小。

3、性能稳定可靠，传感信号覆盖面宽，电磁兼容性好，抗干扰能力强。

目前研究和采用的主要传感元件有：

光导纤维、压电元件、电阻应变元件、疲劳寿命丝、半导体元件等。

（1）光导纤维

它是利用两种介质面上光的全反射原理制成的光导元件。

通过分析光的传输特性（光强、位相等）可获得光纤周围的力、温度、位移、压强、密度、磁场、成分和X射线等参数的变化。

光导纤维作为传感器具有反应灵敏、抗干扰能力强和耗能低等特点。

嵌埋式光纤传感器还能实时监测材料固化过程中的状态变化，以便调整固化过程的参数,从而提高材料固化的成功率。

而在材料固化后仍留在材料内部，继续充当敏感元件，实时敏感材料结构在使用过程中性能的变化，实现在线无损检测。

因而广泛用作智能结构的传感元件。

（2）压电元件

在智能结构中，常用于声发射信号、应力波和压力测量的压电材料可分为两类：

压电陶瓷和压电聚合物。

压电材料的特点是有较宽的频响范围、控制精度高、可以加工成多种形式的传感器，易于小型化和集成化，可用作传感元件和驱动元件。

压电材料的最新成果包括细晶粒聚合物陶瓷、大应变量（1.7%）单晶压电材料、压电纤维和压电复合材料等，它们的共同优点是具有较大的驱动应变和很强的可设计性。

（3）半导体元件

微小的半导体传感元件是未来智能结构中的主要传感元件，它能够制成与基体材料融为一体的半导体模块、薄片，用于测量温度、压力、辐射、加速度等，具有用途广、尺寸小、易集成和成本低等优势，目前的主要问题是使用温度的限制。

不同的传感元件具有不同的传感特性，因此，需要对相关传感元件的力学、光学、电学等耦合效应进行深入的分析，探索新型组合式传感元件的新原理；研究新型光纤、激光、压电传感原理与技术；研究高性能、多用途表面声波传感器；研究分布式及准分布式传感、传感器网络及多传感器复用原理与方法；建立应变/温度复合传感原理与技术；研究新型加速度、速度、位移、变形、裂纹、损伤传感器技术；研究传感器数量与位置优化设计，以及在不同环境下传感元件和网络功能效应的模拟与仿真，以达到优化传感元件和传感网络综合性能的目的。

3.2智能驱动技术

驱动技术（包括驱动元件、激励和控制方式等）是智能结构实现形状或力学性能自适应变化的核心问题，也是困扰结构自适应的一个“瓶颈”。

其中，驱动元件是使结构自身适应其环境的一类功能元件，它的作用就像人的肌肉，可以改变结构的形状、刚度、位置、固有频率、阻尼、摩擦阻力、流体流动速率、温度、电场及磁场等。

驱动元件是自适应结构区别于普通结构的根本特征，也是自适应结构从初级形态走向高级形态的关键。

对驱动元件的要求如下：

1、与主体材料相容性好，具有较高的结合强度。

2、本身具有较好的机械性能，如弹性模量大、静强度和疲劳强度高、抗冲击等。

3、频率响应宽，响应速度快，激励后的变形量和驱动力大，且易于控制。

目前研究和采用的主要驱动元件有：

压电元件、形状记忆合金、电致/磁致伸缩材料、电/磁流变体、压电复合材料、聚合物胶体等。

（1）压电元件

利用逆压电效应，压电元件可用作驱动元件。

压电元件作为驱动元件的特点是：

激励能量小，响应速度快，控制精度度高，使用方便。

主要问题是：

驱动变形量和驱动力小，低于目前结构材料的许用应变值。

（2）形状记忆合金

形状记忆合金（SMA）是智能结构中首先应用且问世不久的一种具有形状记忆效应的功能型金属材料，其作为驱动器元件最重要的特点是：

可实现多种变形形式，变形量大，加热驱动时驱动力较大，可用于改变结构中的应力应变分布和结构的形状。

存在的主要问题是功耗大、响应慢、多参数耦合效应复杂。

（3）电磁流变体

电/磁流变体是在外加电场/磁场作用下能迅速实现液体-固体性质转变的一类智能材料，这类材料能感知环境（外加电场/磁场）的变化，并且根据环境的变化自动调节材料本身的性质，使其粘度、阻尼性能和剪切应力都发生相应的变化。

这种液态和固态之间的转化是快速可逆的，并可保持粘度连续、无极地变化，能耗极小，是智能结构中很好的驱动器。

（4）压电复合材料

压电复合材料是将压电相材料（如压电陶瓷）与非压电相材料（如聚合物）按照一定的连通方式复合而形成的一种具有压电效应的复合材料。

它具有优良的压电性能，柔韧性好，重量轻。

其最大的特点是可设计性强，通过选择不同的连通方式和复合方式，可使压电复合材料具有所需要的综合性能。

压电复合材料能用于结构的减振降噪和形状控制，并能改善与结构材料之间的相容性。

（5）聚合物胶体

聚合物胶体是一种将化学能或电能转变为机械能的仿人体肌肉功能的作动器，特别适合仿生飞行器。

聚合物胶体能并联成仿肌肉的纤维束，稳定性好，柔度系数可调。

需要研究的是如何提高力的集度，改善受载状况下的响应速度，提高能量转换效率。

每种驱动元件都具有自身的特点，而理想的驱动元件能直接和高效地利用输入的电信号改变结构的状态和特性。

以后需进行重点研究的新型驱动技术有：

研究复合式和混杂式新型驱动系统、微型驱动装置；研究驱行器驱动力/行程/速度关系与功率/能量要求；建立驱动系统的理论分析模型并进行优化；研究驱动系统的激励和控制；研究磁流变驱动器、PZT堆驱动器、功能纤维材料驱动器，及具有高阻尼性能的形状记忆合金被动阻尼技术等。

3.3智能控制技术

在智能结构中，控制系统也是一个重要的组成部分，它所起的作用相当于人的大脑。

智能结构控制系统包括控制元件及控制策略与算法等。

智能结构的控制元件集成于结构之中，其控制对象就是结构自身。

由于智能结构本身是分布式、强耦合的非线性系统，且所处的环境具有不确定性和时变性，因此，要求控制元件能够自己形成控制规律，并能够快速完成优化过程，需有很强的鲁棒性、实时性和在线性。

而以频域为基础的经典控制理论和以时域为基础的现代控制理论均难以面对智能结构自身的特征和所处的环境。

智能结构的控制打破了传统控制系统的研究模式，将对受控对象的研究转移到对控制器自身的研究上，通过提高控制器的智能水平减少对受控对象数学模型的依赖，从而增强结构系统的适应能力，使控制元件在受控对象性能发生变化、漂移、环境不确定和时变的情况下，始终获得满意的控制效果。

结构之所以具有智能主要源于它的自主辨识和分布控制功能。

智能结构的控制策略分为3个层次，即局部控制（LocalControl）、全局算法控制（GlobalAlgorithmControl）和智能控制（IntelligentControl）。

局部控制的目标是增大阻尼和（或）吸收能量并减少残留位移或应变；全局算法控制的目标是稳定结构、控制形状和抑制扰动。

这两个层次在目前的技术水平上是可以实现的。

智能控制是未来重点研究的领域，通常应具备系统辨识、故障诊断和定位、故障元件的自主隔离、修复或功能重构、在线自适应学习等功能。

针对分布式、非线性、强耦合、多变量、随机性及时变性这一复杂结构系统，利用主动/半主动/被动/复合控制各自的优点，建立智能结构系统控制的数学模型。

采用非线性系统中控制与结构的相互作用、系统辩识与状态估计、模糊控制与神经网络控制的相互结合。

特别是仿人智能控制理论中，分层逆阶控制信息处理及决策机构，在线特征辨识及特征记忆，开闭环结构的多模态控制，启发式和直觉式推理逻辑的灵活应用，分布局部控制与中央全局控制的结合。

3.4智能信息处理与传输

智能结构分布式的传感元件、驱动元件和控制元件，意味着需要有一个与其相适应的分布式的计算结构。

这一结构主要包括数据总线、联接网络的布置和信息处理单元。

信息处理单元应具有分布式且与中央处理方式相协调的特点，对于复杂的应变系统，还应具有一定的鲁棒性和在线学习功能。

基于智能结构的多传感器体系，且传感网络信号具有高度非线性、大数量、并行等特点，使用传统的分析方法进行处理往往十分耗时、困难，甚至完全不可能。

而现代模式识别方法（包括人工神经网络）、小波分析技术、时间有限元模型理论以及光时域反射计检测技术等就成为实现实时、在线、智能化处理分布式信号的理想工具。

对多传感器数据与信息融合，及多传感器的优化配置的研究也是智能结构信息处理研究的重要内容。

人工神经网络突破了以传统线性处理为基础的数字电子计算机的局限，是一个具有高度非线性的超大规模连续时间动力系统。

其主要特征为连续时间非线性动力学、网络的全局作用、大规模并行分布处理能力、联想学习能力和具有很强的鲁棒性和容错性。

目前，应用于智能结构的人工神经网络，主要有BP网络、RBF网络、Kohnoen自组织特征映射网络以及小波神经网络等。

而传统的以BP网络为代表的前向神经网络都是基于经验风险最小化（EmpiricalRiskMinimization,ERM）原则，需要较大的样本数据，力求使样本点的训练误差最小化，因而不可避免地出现了过拟合现象，降低了模型的泛化能力，且容易陷入局部最优点。

而近年来发展起来的支持向量机（SupportVectorMachine,SVM）网络则是建立在VC维（Vapnik-ChervonenicDimension）理论基础之上的，采用结构风险最小化（StructureRiskMinimization,SRM）原则，在最小化样本点误差的同时，最小化模型的结构风险，从而提高了模型的泛化能力，这一优点在小样本学习中更为突出。

因此支持向量机是目前模式识别及非线性回归的理想网络模型。

由于智能结构传感元件、驱动元件和控制元件大量地分布于结构之中，采用无线传输方式来实现材料内部与外界环境间的信号传输与能量供给是必需的，这就像将很多微型电子器件植入人体内进行检测一样，采用有线传输是不切实际的。

因此需采用无线传输方式，通过GPS全球卫星定位系统以及国际互联网来实现远程监测与控制。

4智能材料结构的实际应用现状

4.1军事领域的应用

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：

4.1.1智能蒙皮

不仅是飞机，其它飞行器如火箭、卫星、潜水艇等的表皮都应有随外界条件变化而变化以及探测周围环境的能力，具有这样功能的表皮称为智能表皮。

未来飞机蒙皮可以赋予机翼更好的作用，由于采用智能材料系统，它可以检测飞行速度、温度、湿度等各种气象条件，并能对变化的环境做出反应，如改变机翼形状等。

另一功能是适合于当前的电子战，即具有识别、人为干扰、隐蔽通讯、威胁警告和电子保障系统。

对于材料内部的缺陷和损伤，智能表层能进行自诊断、自修复、自适应，还能抑制噪声和振动，对于航空航天飞行器座舱能够自动通风、保暖和冷却。

4.1.2结构检测和寿命预测

为了保证飞行安全，无论是民用还是军用飞机都必须随时监测，甚至离开服役现场检测大修。

飞机结构中埋入传感器，它将与人工智能、信号处理器和适当的计算机硬件一起，连续及时地评价飞机结构的状态和完整性，以防止发生突发性灾难。

这些埋入的传感器和计算机网络将监视飞行载荷、还原飞机结构的内部缺陷和结构已经失效的部位，或者是机翼结冰超过规定重量值将影响飞行性能，是否需要采取措施，如除冰等。

在军舰方面也需要智能表层，它应能调整军舰的外壳特性，减少和改变舰上发出的声音，使敌方声纳检测不到军舰的声讯号。

同时将军舰表皮模仿成海豚皮肤样式，可减少阻力，也要求表层材料本身能够做到自诊断、自适应、自修复。

4.2土木工程的应用

大型土木工程结构在服役过程中，不可避免地会发生损伤及危险，因此对结构进行健康监测及诊断具有重要意义。

智能结构是一种仿生体系，可用于实时测量结构内部的应变、温度、裂纹。

探测疲劳和损伤情况，从而对结构进行监测，迅速处理突发事故，并自动调节及控制，在发生危险时能自己保护自己，使整个结构处于安全状态。

4.3振动控制的应用

智能结构系统可以消除结构的有害振动，减轻对电子系统的干扰，提高系统的可靠性。

智能结构用于汽车工业、航空工业等，可以提高舒适性、减少振动对结构产生的破坏。

振动控制应用于舰艇，可以抑制噪声传播，提高潜艇和军舰的隐身性能。

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振系统，安装在飞机发动机支架上，使机舱内的噪声减小20dB以上。

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。

5未来研究与发展方向

5.1新的控制方法的研究

由于智能结构系统维数高，含有未建模动态特性及参数不确定性等，研究面向低阶鲁棒控制器设计的辨识方法及模型简化技术等问题是具有实际意义的。

一些较新的鲁棒控制器设计方法。

如H∞、μ、LMI、鲁棒变结构控制等在含有不确定性结构控制中的应用，另外研究基于某类特殊结构的振动控制机理与鲁棒控制算法等都是有很强的工程应用前景的问题。

5.2新型智能复合材料的研发

目前影响智能结构实用研究发展的重要问题之一是所经常采用的压电材料、磁致伸缩材料等均存在诸如响应速度不够快、严重非线性等问题。

因此智能复合材料结构的制作是一项困难而又急待解决的问题。

有待于开发出能耗低、应变大、频带宽、力学性能优越、稳定性和寿命高的新型智能材料。

5.3系统集成技术的研究

目前，大多数智能结构仅具有传感功能，其处理和控制功能还需外接，往往是一个包含众多功放、滤波、AID、D／A等的庞大系统，这对于实际的应用而言是不便的。

因此开发高精度的传感器以及研究有效的信号采集和处理技术也显得至关重要。

5.4传感器制动器的优化研究

传感器和致动器优化配置的研究也是目前急需解决的问题。

未来的研究将主要集中在传感器和致动器的数量、位置与厚度上。

在结构系统设计阶段就考虑控制增益、传感器与致动器位置的优化问题，实现结构与控制系统的一体化设计，是一个值得研究的课题。

6总结

智能材料结构技术是集材料、机械、电子、自动控制和计算机技术于一体的多学科综合的新技术，所涉及的知识面广，发展潜力巨大，应用前景广阔。

正如1997年1月6日《华盛顿邮报》以“智能材料可以产生奇迹”为标题描述智能材料与结构的未来那样：

过不了多久，智能飞机的机翼可以象鸟的翅膀一样弯曲，自动改变形状，从而提高升力和减少阻力；桥梁和电线杆在快要断裂时可以发出报警信号，然后自动加固自身的构造；空调机可以抑制振动而寂静工作；手枪只有在主人使用时才能开火；轮胎需要充气时会礼貌地通知司机；反应灵敏的人工肌肉可以以假充真。

随着智能材料结构技术的不断发展和在军、民领域的更多应用,必将在未来人类科技文明进步中发挥更重要的作用。

参考文献

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