Mechanics 版 (精华区)

发信人: feifeifool (爱芳), 信区: Mechanics
标  题: 智能材料的应用
发信站: BBS 哈工大紫丁香站 (Fri Jun  9 19:50:43 2006)

在军事领域中的应用

　　智能材料结构用于军事，并不是一个新鲜的话题，就象所有高新科技的发现必然会应
用于军事一样，它是随着智能材料的发展也在不断发展的一个领域。因为智能材料结构不
仅象一般功能材料一样可以承受载荷，而且它还具有了其他功能材料所不具备的功能，即
能感知所处的内外部环境变化，并能通过改变其物理性能或形状等做出响应，借此实现自
诊断、自适应、自修复等功能。所以，智能材料在军事应用中具有很大潜力，它的研究、
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：
（1）智能蒙皮
　　例如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。
目前美国在智能蒙皮方面的研究包括：美国弹道导弹防御局为导弹预警卫星和天基防御系
统空间平台研制含有多种传感器的智能蒙皮；美空军莱特实验室进行的结构化天线（即把
天线与蒙皮结构融合在一起）研究；美海军则重点研究舰艇用智能蒙皮，以提高舰艇的隐
身性能。
（2）结构监测和寿命预测
　　智能结构可用于实时测量结构内部的应变、温度、裂纹，探测疲劳和受损伤情况，从
而能够对结构进行监测和寿命预测。例如，采用光纤传感器阵列和聚偏氟乙烯传感器的智
能结构可对机翼、机架以及可重复使用航天运载器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。正在研究的自诊断智能结构
技术有：光纤传感器自诊断技术，可以测量裂纹的“声音”传感器自诊断技术，及其它可
监测复合材料层裂的传感器自诊断技术等。
（3）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。如美国防高级研究计划局资助波音公司研制的直升机智能结构旋翼叶片
，可以改善旋翼的空气动力学性能，减小振动和噪音。智能结构用于舰艇，可以抑制噪声
传播，提高潜艇和军舰的声隐身性能。智能结构用于地面车辆，可以提高军用车辆的性能
和乘坐的舒适度。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。
（4）环境自适应结构
　　智能结构制成的自适应机翼，能够实时感知外界环境的变化，并可以驱动机翼弯曲、
扭转，从而改变翼型和攻角，以获得最佳气动特性，降低机翼阻力系数，延长机翼的疲劳
寿命。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够迅速变
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。

　　美国的一项研究表明，在机翼结构中使用磁致伸缩致动器，可使机翼阻力降低85%。美
国波音公司和麻省理工学院联合研究在桨叶中嵌入智能纤维，电致流变体时可使桨叶扭转
变形达几度。美国陆军在开发直升机旋翼主动控制技术，将用于RAH-66武装直升机。美国
防部和航空航天局也在研究自适应结构，包括翼片弯曲、弯曲造型/控制面造型等。

　　相信在不久的将来我们用智能材料制成的飞机机翼，就可以像鱼尾巴一样行动自如，
自行弯曲、自动改变形状，从而改进升力和阻力，使飞机飞得更高、更快。

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智能材料与住宅智能化 
　　让我们先来设想一下，未来的住宅会是什么样子：墙壁可以随心所欲的变换颜色；椅
子可以随人体不同的需要改变温度和形状；一切的电器都是触摸式的，永远不会再有触电
的危险；可视电话带有传感功能；……。这是多么美妙的一幅未来图画！在以前或者还会
把它当作幻想和科幻小说来看，但是随着智能材料的发展，尤其是毫微塑料设想的提出，
智能化住宅已经不再只是梦想。虽然目前还处于设想阶段，但是已经开始着手进行研究，
并且必然将在不久的将来成为现实。下面让我们来了解几种未来的智能产品。 
（1）多功能砖 
　　多功能砖用来构建整个房屋的结构单元，这种结构单元具有变通性和智能性。这种多
功能砖主要由四个分层构成。第一层是功能层，能感受来自周围的声能、热能、光能，并
能控制这些能量的输出，如果是内墙壁砖的话，还能控制和改变墙的功能；第二层是通讯
层，能为居住者提供内外通信联系的通道，第三层是输送通道，可以用来输送水和其它材
料。住户还可以挑选合适的带“面膜”的砖材。面膜是砖材的最上层，它也具有多功能性
。如壁膜可以使墙壁产生不同的色彩和图案；传感膜可以接收声波、热能和可见光并予以
减弱或增强；地膜可产生耐久的色彩和图案；界面膜可连接内外通信线路。面膜的设置及
其构形并不是一成不变的，而是很容易剥离并换上新的面膜。 
（2）食物器皿 
　　在未来的厨房里不会看到传统的碗碟。在毫微塑料的桌面上旋转的碗不仅能测知食物
的存在，而且可以根据用户的需要自行形成各种形状的碟子，供准备、烹调和上菜时使用
。并且这种盛食物的碗还具有保温和在不使用冰箱的情况下保鲜的功能。 
（3）座椅 
　　用毫微塑料制作的坐椅不仅功能将大大增加，而且也将增加舒适程度。使用毫微塑料
能改变椅座面的柔韧性和弹性，也可以形成各种型式的椅座面。如果出于美学的考虑，或
是便于人们入座或从座椅中站起，毫微塑料也可以形成所需的任何图案或结构，还能改变
座椅本身的结构。由于不同年龄段的人对温度舒适性的要求有很大区别，这种座椅还可以
随心所欲地升温和降温。它甚至还对人们喜爱的舒适温度具有记忆功能。 
（4）卫生间 
　　在卫生间里，常见设施是洗脸盆、抽水马桶和淋浴器。采用了智能结构的卫生间是这
样的。 
　　在洗漱时，人们只要接触洗脸盆支架表面的任何区域，就能调节控制水温、水速和水
流的状态（集中喷射的水流或宽阔的水帘状等）供人们选择。洗脸盆上方的镜子能照出人
的正常反转象，还能照出真实的非反转象。 
　　抽水马桶的形状和大小可随使用者的不同而自动变化，坐垫自动加热至舒适的温度，
整个结构十分轻便。无论安装在室内的任何地方，都能和多功能砖牢固地砌合，从而解决
上下水的问题。在电脑住宅的厕所里，安装了一台检查身体的电脑系统，每当有人上厕所
时，与马桶相连的体检装置即自动分析大小便的情况，如发现异常，电脑会立即发出警报
，以便及时到医院去看病。 
　　淋浴设备只要和多功能砖相连接，上下水、水温和水流都能得到自动控制和调节。 

　　综上所述，未来的智能化住宅必将显著提高人们的生活质量。 

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与现代医学相联系的智能材料 
（1）人造肌肉 
　　因为生物弹性材料能模拟活体生物，而且其力量和反应速度均接近于人体的肌肉。所
以这种材料可以应用于人体组织的修复，而且它们还具有与生物体的相容性，随着伤口的
愈合，这种聚合物就会在体内逐渐降解，最后将会消失。 
（2）人造皮肤 
　　意大利比萨大学的科研人员为了使机器人与真人更接近，让它的皮肤具有感觉功能，
研制成功一种人造皮肤智能材料，这种材料可以感知温度、热流的变化以及各种应力的大
小，并且有良好的空间分辨力。这种智能材料还可以分辨表面状况，例如，粗糙度、摩擦
力等。 
（3）在药物自动投入系统上的应用 
　　科学家正在研制一种能根据血液中的葡萄糖浓度而扩张收缩的聚合物，这种聚合物可
制成人造胰细胞，将它注入糖尿病患者的血液中，小球就可模拟胰细胞工作，使病人的血
糖浓度始终保持在平常的水平上。 
（4）智能材料的两种抗癌应用 
　　Ⅰ、如图，所示是一种有效的抗癌药物胶囊，即药物“导弹”。图中的疏水性药物载
体形成了“导弹”的疏水内核，而亲水性部分则在内核周围形成了一个水化物外壳。所形
成的这种高分子聚合物胶囊是一种智能型药物载体，它能自动避免被机体内单核吞噬细胞
捕获而有效的到达癌细胞所在地。 
　　Ⅱ、90年代后期，研制出用对电磁场敏感的铁氧体包覆Ti-Ni形状记忆合金丝制成了癌
症温热疗法用针。首先，通过导管将这种针植入病人癌变部位，由于形状记忆作用，这种
针会发生弯曲变形现象；其次，在通过涡流效应产生高频电磁场作用下，形状记忆合金针
将能够产生一定的热量而使癌变区得到萎缩。 

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主动结构声控 
　　智能材料系统中最成熟的应用领域大概就是主动结构声控。采用智能结构进行主动结
构声控是降低军用系统噪声的有效途径。一般说来，可以采用两种方法来实现主动结构声
控。 
　　一种是简单地使结构完全停止振动，显然它可以使声辐射降低到零，这是一种强制性
的方法，往往也是办不到的。 
　　另一种就是采用智能控制方法，它是指有选择地控制辐射振动模。因为并不是所有的
振动模都辐射“具有危险性”的声波，减少系统的质量和功耗也同样是必须考虑的因素，
因而最好的办法是“感觉”辐射“具有危险性”的辐射波振动模，并使用分布在整个结构
中的作动器（压电材料或电致流变体）对产生的该振动模进行控制。该方法的效率取决于
对材料系统相互作用的基本物理现象的认识和智能材料系统的自适应能力。 
　　美国军方提出采用主动声控涂层进行声信号抑制，提高潜艇主动隐身性能。这项技术
将使噪声降低60分贝，并使潜艇探测目标的时间缩短100倍。预计这种主动声控涂层将采用
压电涂层材料和采用电致流变体技术的主动消声贴片。

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主动震动控制 
　　震动会极大地降低工程系统的性能，如降低对地观测卫星的传感器精度，减弱跟踪和
预警卫星跟踪目标的能力，使制导武器性能下降，导致系统金属结构的疲劳破坏，此外还
会干扰空间站的微重力环境等。采用压电材料、形状记忆合金或电致流变体的智能结构均
可实现振动的主动控制，提高军用系统的性能。如采用智能结构进行主动震动控制，可降
低直升机旋翼的振动振幅以及产生可控的扭曲形变，提高直升机的有效载荷，使速度增加
，戒备能力提高。 
　　空间系统的主动震动控制智能结构，主要采用压电陶瓷或电致伸缩材料作为作动器。
考虑的主要因素是低功耗、耐久性、疲劳特性、稳定性和温度／环境效应等问题，同时还
考虑控制器的小型化。传感器可用光纤和压电材料。当系统结构受到外力作用振动并产生
形变时，压电应变传感器可产生与压力成正比的表面电荷，控制系统对传感器测量的信号
进行处理后，再给压电作动器反馈一个适当的电压，使其产生反向变形力，从而产生对系
统结构的阻尼作用，使系统结构的振动随之迅速减弱。主动振动控制自适应结构，另一项
主要应用是可能消除航天器控制系统与柔性结构的相互干扰作用，未来大型柔性航天结构
因其振动频率低于控制系统的频率，会导致有害的控制／结构干扰作用，用传统的设计方
法不能消除这种作用，并且不能简单地从传感器中滤去结构振动信息，必须从结构优化、
阻尼减振方面考虑。智能结构则是解决大型柔性结构相互干扰作用最有效的手段。 
　　在地震多发区应用智能结构的建筑物通过振动控制，将大大提高建筑物的抗震性。 


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仿生学和航空航天用智能材料 

　　“个人航空器”取代汽车已不再是科幻小说或周六早上卡通片中的幻想，在NASA兰利
中心的专家正在研制一种奇异的技术使得个人“空中汽车”的梦想更接近于现实。 
　　自体愈合机翼可以象生命有机体一样可伸缩和有反应能力。多用途轰炸机，既可充当
敏捷喷气战斗机，又可变成成群的微型无人驾驶航空器。 
　　这项航空航天科技重大突破的核心技术是“智能”材料。这种物质具有神奇的特性，
它可以根据指令弯曲、可以“感受”压力、当放入磁场中，还可以从液态变成固态。 
　　研制这项新技术的兰利中心“形态工程”负责人说，“大多数人甚至还没有意识到此
项技术的存在”。“形态工程”的任务是构想20年后划时代的航空航天设计是怎样的，并
开始研制这项技术使其构想变成现实，例如，一架个人的空中汽车既要求它简洁，但同时
可以在非常低和非常高的时速下飞行。她接着说，“我们认为要制造这样一种‘喷气式时
代’交通工具，需要机翼构型能够进行根本的变化。在非常高速和非常低速的状态下可以
使用的机翼，是完全不同的”。 
　　现在有些飞机已经具有可调机翼，如挪威的F-14雄猫飞机和B-1超音速轰炸机。这些飞
机将刚性的机翼通过巨大、沉重的曲轴安装在机身上。作为对比，形态工程的科学家们所
设想的机翼可以根据指令而展开。这种机翼是使用“形态记忆”合金或其他新颖的材料制
成，可以弯曲产生新的形状。“形态记忆”合金具有独特的性能，当提供足够的热量后，
它可以很快的恢复原有形状，任何形状都可以最终恢复成它原有的状态。 
　　在形态工程研究的新型材料中，形态记忆合金相对比较普通。观察一颗子弹穿过一层
材料，材料被子弹穿射后便很快愈合了！记住，这不是科幻小说中的故事。自体愈合材料
的确存在，兰利研究中心的科学家们正致力于揭开它们的密秘。 
　　“我们在兰里研究中心的主要工作是解剖这种材料，回答‘它是如何是实现自体愈合
的？’这样的问题。通过这些分析，我们开始着手于运用这些材料在分子级水平进行计算
机建模。一旦我们在分子水平上了解了此种材料的性能，我们就创造设计‘智能’材料”
。 
　　兰利研究中心同时研究可定制变化的压电材料。这种物质随电压而变化，当扭曲这种
压电材料时就会有电压产生，相反，如果对其提供电压则材料便会弯曲。科学家们利用这
种特性，将其设计做应变传感器或“作动器”，安装在机器中作为可产生微小动作，例如
移动飞机的副翼。结合微电子技术，这些材料可以从根本上提高未来飞机的设计水平。 

　　如果展望未来的20年，我们认为飞机已经可以随时进行分布式的自我评估和维修。要
想达到这样的技术水平，需要在机翼中分布安装作动器和传感器，这如同人体的工作，我
们有遍布全身的肌肉和神经，所以我们能意识到身体发生的变化并通过一些途径对这些变
化产生反应。 
　　“形态工程”研究的一个方向是考察自然界中的生物是如何做它可以做好的事情，科
学家们希望通过这项研究可以从中受到启迪以改善他们自己的设计。 
　　生物可以做一些我们根本不能做的事情。鸟类远比现在飞机更加灵活机动，鸟类可以
盘旋，可以向后和侧向飞行。昆虫可以上下，一圈接一圈的飞行，而人类根本无法接近这
些水平。 
　　“仿生学”这项从自然获取知识的实践，已经导致骨头仿生品和其它多种仿生品的研
究。 
　　骨头之所以轻，是因为它内部的多孔结构，但它也非常坚固。兰利研究中心的科学家
将聚合微球体注入到所期望形状的复合材料的壳体中，然后对这些球体进行加热，这样，
这些微球体就如同细小的肥皂泡一样溶合到一起。这样的结构与骨头一样。 
　　“如果你拥有我上面所说的既轻又坚固的仿骨头的结构，再加上仿神经的传感器和一
些柔性的作动器，你最终获得的将是一个相当轻便、坚固、能自我意识和自我作动的结构
” 
　　与现有飞机死板、沉重的结构比较，你便能理解“智能”材料的使用对于航空航天设
计将带来多么生动的变化。 
　　正如同其它基础科学研究一样，这些“智能”材料的使用将延伸到航空航天工业的其
它领域。“我们与由NASA资助的两家商业公司有密切合作，而且此项技术将有数百万种的
应用。” 

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智能传感器 
　　传感器（Sensor），传统上一般指能够感知到某种物理量（如电、光、磁等）、化学
量（如浓度、PH值等）、生物量（如细菌等）等的信息，并将该信息转化为有用信息的装
置。通常由敏感元件（感应变化）、转换元件（将变化转化为有用信息）和其他辅助元件
组成。 
　　随着智能材料和人工智能技术特别是微计算机技术的迅猛发展，在许多智能化要求比
较高的高新技术应用领域提出了智能传感器（Intelligent Sensor or Smart Sensor）的
要求。这是一种将传感器与微型计算机集成在一块芯片上的装置。它的主要特征是将敏感
技术和信息处理技术相结合，使其除了具有感知的本能外，还具有认知的能力。一般认为
，智能传感器应具备以下条件： 
（1）由传感器自身能消除异常值和例外值，提供比传统传感器更全面、更真实的信息。 


（2）具有信息处理功能，如自动补偿功能。 

（3）具有信息存贮及自诊断功能。 

（4）具有自适应和自调节功能。 

（5）具有智能算法及自学习功能。 

（6）可以有数字通信接口，能实现网络化或远程通信。 

　　目前研制的智能材料传感器主要有光纤传感器、压电传感器和微芯片传感器等。
 
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十年让我看到了时间奔跑的速度，十年让我看到了时间沉淀的力量!


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