智能材料:21 世纪竞争的关键

   2023-07-03 工业品商城141
核心提示:民用喷气式客机时代开始于1952年5月,英国德哈维兰公司研制的彗星1号喷气式飞机正式投入伦敦至约翰内斯堡的民航运营。 由于采用密封增压舱,该飞机可在万米高空飞行,从而为乘客带来高速、平稳、舒适的空中旅行体验。然而,1954年1月和4月,两架彗星1号在执行飞行任务途中在大洋上空相继解体。 民航运营蒙上沉重阴影。在随

民用喷气式客机时代开始于1952年5月,英国德哈维兰公司研制的彗星1号喷气式飞机正式投入伦敦至约翰内斯堡的民航运营。 由于采用密封增压舱,该飞机可在万米高空飞行,从而为乘客带来高速、平稳、舒适的空中旅行体验。

然而,1954年1月和4月,两架彗星1号在执行飞行任务途中在大洋上空相继解体。 民航运营蒙上沉重阴影。

在随后的事故调查中发现,由于频繁起降带来的增压和减压过程,飞机机身金属材料形成裂纹并逐渐扩大,最终导致飞机解体。   尽管金属疲劳现象(即铁丝反复弯曲后折断的现象)早已被人们认识,但对金属疲劳的深入了解是从彗星一号开始的。

虽然通过采用新材料和改进结构设计可以显着降低金属疲劳,例如现在人们常见的带圆角的矩形舷窗,其设计就是为了避免矩形四个角处应力过度集中而导致金属疲劳。 然而,金属疲劳的噩梦仍然挥之不去。  2002年5月25日,台湾华航波音747客机在飞往香港途中在澎湖附近海域坠毁。 事故调查显示,金属疲劳再次成为这起空难的罪魁祸首。

金属疲劳现象并非航空业所独有。  1998年6月3日11时00分左右,一列时速200公里的火车在开往汉堡的埃斯赫德镇附近脱轨,造成101人死亡、88人受伤,成为德国历史上最严重的事故。 铁路事故。 调查确定,事故是由于第二节车厢的一个车轮因金属疲劳而突然爆裂所致。

类似的例子可以在桥梁、船舶、汽车甚至自行车上找到。 选用抗金属疲劳的金属或合金材料是一种有效的办法,但只要是金属,就不可能避免疲劳,只是程度不同而已。 因此,对金属零件的监测成为防止金属疲劳的非常有效的手段。

然而传统的外部监测方法很难满足动态实时监测的要求。 毕竟,人们无法在飞机机身内外布置大量的传感器和放置各种仪器设备,因为飞机的气动外形和负载能力不允许这样。 因此,人们将希望寄托在智能材料上,希望其能够有效防止金属疲劳带来的危害。

与物联网的各种定义类似,智能材料目前还没有统一的定义。

根据互动百科“智能材料”词条给出的定义,智能材料是指能够感知环境(包括内部和外部环境)的刺激,并对其进行分析、处理和判断,并采取一定措施, 做出适当的回应。 具有智能功能的材料。

这种刺激或诱因所代表的物理量通常是声、光、电、磁、热、机械力(包括压力、拉力等)、pH值、高能射线等。 能够感知所有这些物理量,但根据具体用途,智能材料被赋予特定的传感能力来感知需要检测的物理量。

同样,并不是每一种智能材料都必须完全具备智能材料的七大特征:感知、反馈、响应、识别、自诊断、自适应、自修复等功能或能力。 但传感和响应是所有智能材料的必备条件。 如果没有对作用在其上的物理量的感知,就没有智能。

虽然智能材料离不开智能,但智能也是有层次的。 例如,用于太阳镜的变色玻璃在遇到太阳光光谱中的紫外线后会变得更暗,又例如记忆合金,会在特定的温度环境下恢复原来的形状,或者记忆合金会感应温度。 受到刺激后,按照预设方案做出反应。 由于缺乏计算,变色玻璃和记忆合金的“IQ”较低。

智能材料要实现更多功能,离不开计算,而计算的前提是借助传感器将自然界中的非电转化为电,而大前提是将传感器嵌入到材料中。

然而,将传感器嵌入到材料中并不容易。 由于很难将电源嵌入到材料中,因此无源传感器基本上是唯一的选择。 由于飞机蒙皮等紧凑型应用的物理尺寸限制,多功能传感器受到青睐。 在上述一种或多种限制下,光纤、压电陶瓷、薄膜、半导体等传感器成为为数不多的可用传感器之一,其中光纤传感器因其无源性、多用途性成为最重要的传感器。 物理量测量特性。 应用的受欢迎程度。

即使对于光纤传感器来说,嵌入应力敏感材料时仍然存在很大的挑战,因为光纤的膨胀系数与大多数金属的膨胀系数有很大不同。 为了避免膨胀系数差异引入的应力,需要在金属之间添加膨胀系数介于两者之间的过渡层。

总之,人们可以将嵌入传感器的智能材料视为物联网的一种特殊应用,但在很大程度上,这种应用需要独特的技能,而不是一些自称物联网公司的公司敢于承担。

 
 
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