智能材料

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• 中文名

• 智能材料

• 外文名

  Intelligent material

• 所屬類別

• 新材料

• 材料特征

• 傳感功能

• 目錄

• 定    義

• 第四代材料

1. 1 定義

2. 2 分類

3. 3 構(gòu)成

4. 4 實(shí)際成果

5. 5 研究方向

6. 6 出現(xiàn)時(shí)間

7. 7 材料特征

8. 8 常見

定義

智能材料還沒有統(tǒng)一的定義。不過，現(xiàn)有的智能材料的多種定義仍然是大同小異。大體來(lái)說(shuō)，智能材料就是指具有感知環(huán)境（包括內(nèi)環(huán)境和外環(huán)境）刺激，對(duì)之進(jìn)行分析、處理、判斷，并采取一定的措施進(jìn)行適度響應(yīng)的智能特征的材料。具體來(lái)說(shuō)，智能材料需具備以下內(nèi)涵：

（1）具有感知功能，能夠檢測(cè)并且可以識(shí)別外界（或者內(nèi)部）的刺激強(qiáng)度，如電，光，熱，應(yīng)力，應(yīng)變，化學(xué)，核輻射等；

（2）具有驅(qū)動(dòng)功能，能夠響應(yīng)外界變化；

（3）能夠按照設(shè)定的方式選擇和控制響應(yīng)；

（4）反應(yīng)比較靈敏，及時(shí)和恰當(dāng)；

（5）當(dāng)外部刺激消除后，能夠迅速恢復(fù)到原始狀態(tài)。

智能材料又可以稱為敏感材料，其英文翻譯也有若干種，常用的有Intelligent material，Intelligent material and structure，Smart material，Smart material and structure，Adaptive material and structure等．。

分類

作為一種新型材料，一般認(rèn)為，智能材料由傳感器或敏感元件等與傳統(tǒng)材料結(jié)合而成。這種材料可以自我發(fā)現(xiàn)故障，自我修復(fù)，并根據(jù)實(shí)際情況作出優(yōu)化反應(yīng)，發(fā)揮控制功能。 智能材料可分為兩大類：

（1）嵌入式智能材料，又稱智能材料結(jié)構(gòu)或智能材料系統(tǒng)。在基體材料中，嵌入具有傳感、動(dòng)作和處理功能的三種原始材料。傳感元件采集和檢測(cè)外界環(huán)境給予的信息，控制處理器指揮和激勵(lì)驅(qū)動(dòng)元件，執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。

（2）有些材料微觀結(jié)構(gòu)本身就具有智能功能，能夠隨著環(huán)境和時(shí)間的變化改變自己的性能，如自濾玻璃、受輻射時(shí)性能自衰減的Inp半導(dǎo)體等。

這只是一種比較籠統(tǒng)的分類方法，由于智能材料還在不斷的研究和開發(fā)之中，因此相繼又出現(xiàn)了許多具有智能結(jié)構(gòu)的新型的智能材料。如，英國(guó)宇航公司在導(dǎo)線傳感器，用于測(cè)試飛機(jī)蒙皮上的應(yīng)變與溫度情況；英國(guó)開發(fā)出一種快速反應(yīng)形狀記憶合金，壽命期具有百萬(wàn)次循環(huán)，且輸出功率高，以它作制動(dòng)器時(shí)、反應(yīng)時(shí)間，僅為10分鐘；在壓電材料、磁致伸縮材料、導(dǎo)電高分子材料、電流變液和磁流變液等智能材料驅(qū)動(dòng)組件材料在航空上的應(yīng)用取得大量創(chuàng)新成果。

構(gòu)成

一般來(lái)說(shuō)智能材料由基體材料、敏感材料、驅(qū)動(dòng)材料和信息處理器四部分構(gòu)成。

（1）基體材料

基體材料擔(dān)負(fù)著承載的作用，一般宜選用輕質(zhì)材料。一般基體材料首選高分子材料，因?yàn)槠渲亓枯p、耐腐蝕，尤其具有粘彈性的非線性特征。其次也可選用金屬材料，以輕質(zhì)有色合金為主。

（2）敏感材料

敏感材料擔(dān)負(fù)著傳感的任務(wù)，其主要作用是感知環(huán)境變化（包括壓力、應(yīng)力、溫度、電磁場(chǎng)、PH值等）。常用敏感材料如形狀記憶材料、壓電材料、光纖材料、磁致伸縮材料、電致變色材料、電流變體、磁流變體和液晶材料等。

（3）驅(qū)動(dòng)材料

因?yàn)樵谝欢l件下驅(qū)動(dòng)材料可產(chǎn)生較大的應(yīng)變和應(yīng)力，所以它擔(dān)負(fù)著響應(yīng)和控制的任務(wù)。常用有效驅(qū)動(dòng)材料如形狀記憶材料、壓電材料、電流變體和磁致伸縮材料等?？梢钥闯?，這些材料既是驅(qū)動(dòng)材料又是敏感材料，顯然起到了身兼二職的作用，這也是智能材料設(shè)計(jì)時(shí)可采用的一種思路。

（4）其它功能材料

包括導(dǎo)電材料、磁性材料、光纖和半導(dǎo)體材料等。

實(shí)際成果

在建筑方面，科學(xué)家正集中力量研制使橋梁、高大的建筑設(shè)施以及地下管道等能自診其“健康”狀況，并能自行“醫(yī)治疾病”的材料。英國(guó)科學(xué)家已開發(fā)出了兩種“自愈合”纖維。這兩種纖維能分別感知混凝土中的裂紋和鋼筋的腐蝕，并能自動(dòng)粘合混凝土的裂紋或阻止鋼筋的腐蝕。粘合裂紋的纖維是用玻璃絲和聚丙烯制成的多孔狀中空纖維，將其摻入混凝土中后，在混凝土過度撓曲時(shí)，它會(huì)被撕裂，從而釋放出一些化學(xué)物質(zhì)，來(lái)充填和粘合混凝土中的裂縫。防腐蝕纖維則被包在鋼筋周圍。當(dāng)鋼筋周圍的酸度達(dá)到一定值時(shí)，纖維的涂層就會(huì)溶解，從纖維中釋放出能阻止混凝土中的鋼筋被腐蝕的物質(zhì)。

在飛機(jī)制造方面，科學(xué)家正在研制具有如下功能的智能材料：當(dāng)飛機(jī)在飛行中遇到渦流或猛烈的逆風(fēng)時(shí)，機(jī)翼中的智能材料能迅速變形，并帶動(dòng)機(jī)翼改變形狀，從而消除渦流或逆風(fēng)的影響，使飛機(jī)仍能平穩(wěn)地飛行。可進(jìn)行損傷評(píng)估和壽命預(yù)測(cè)的飛機(jī)自診斷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可自行判斷突然的結(jié)構(gòu)損傷和累積損傷，根據(jù)飛行經(jīng)歷和損傷數(shù)據(jù)預(yù)計(jì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)的壽命，從而在保證安全的情況下，大大減少停飛檢修次數(shù)和常規(guī)維護(hù)費(fèi)用，使商業(yè)飛機(jī)能獲得可觀的經(jīng)濟(jì)效益。此外，還有人設(shè)想用智能材料制成涂料，涂在機(jī)身和機(jī)翼上，當(dāng)機(jī)身或機(jī)翼內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力時(shí)，涂料會(huì)改變顏色，以此警告。

在醫(yī)療方面，智能材料和結(jié)構(gòu)可用來(lái)制造無(wú)需馬達(dá)控制并有觸覺響應(yīng)的假肢。這些假肢可模仿人體肌肉的平滑運(yùn)動(dòng)，利用其可控的形狀回復(fù)作用力，靈巧地抓起易碎物體，如盛滿水的紙杯等。藥物自動(dòng)投放系統(tǒng)也是智能材料一顯身手的領(lǐng)地。日本推出了一種能根據(jù)血液中的葡萄糖濃度而擴(kuò)張和收縮的聚合物。葡萄糖濃度低時(shí)，聚合物條帶會(huì)縮成小球，葡萄糖濃度高時(shí)，小球會(huì)伸展成帶。借助于這一特性，這種聚合物可制成人造胰細(xì)胞。將用這種聚合物包封的胰島素小球，注入糖尿病患者的血液中，小球就可以模擬胰細(xì)

應(yīng)用在人體中

胞工作。血液中的血糖濃度高時(shí)，小球釋放出胰島素，血糖濃度低時(shí)，胰島素被密封。這樣，病人血糖濃度就會(huì)始終保持在正常的水平上。

軍事方面，在航空航天器蒙皮中植入能探測(cè)激光、核輻射等多種傳感器的智能蒙皮，可用于對(duì)敵方威脅進(jìn)行監(jiān)視和預(yù)警。美國(guó)正在為未來(lái)的彈道導(dǎo)彈監(jiān)視和預(yù)警衛(wèi)星研究在復(fù)合材料蒙皮中植入核爆光纖傳感器、X射線光纖探測(cè)器等多種智能蒙皮。這種智能蒙皮將安裝在天基防御系統(tǒng)平臺(tái)表面，對(duì)敵方威脅進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視和預(yù)警，提高武器平臺(tái)抵御破壞的能力。智能材料還能降低軍用系統(tǒng)噪聲。美國(guó)軍方發(fā)明出一種可涂在潛艇上的智能材料，它可使?jié)撏г肼暯档?0分貝，并使?jié)撏綔y(cè)目標(biāo)的時(shí)間縮短100倍。

除上述幾個(gè)方面外，智能材料的再一個(gè)重要進(jìn)展標(biāo)志就是形狀記憶合金，或稱記憶合金。這種合金在一定溫度下成形后，能記住自己的形狀。當(dāng)溫度降到一定值（相變溫度）以下時(shí)，它的形狀會(huì)發(fā)生變化；當(dāng)溫

形狀記憶合金

度再升高到相變溫度以上時(shí)，它又會(huì)自動(dòng)恢復(fù)原來(lái)的形狀。記憶合金的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究已比較成熟。一些國(guó)家用記憶合金制成了衛(wèi)星用自展天線。在稍高的溫度下焊接成一定形狀后，在室溫下將其折疊，裝在衛(wèi)星上發(fā)射。衛(wèi)星上天后，由于受到強(qiáng)的日光照射，溫度會(huì)升高，天線自動(dòng)展開。除此之外，還有人用記憶合金制成了窗戶自動(dòng)開閉器。當(dāng)溫度升至一定程度后窗戶自動(dòng)打開，溫度下降時(shí)自動(dòng)關(guān)閉。用記憶合金作支撐架的乳罩也很有特色，乳罩在水中可以任意揉搓清洗，但當(dāng)它被戴到身上時(shí)會(huì)自動(dòng)保持自己的形狀，并能根據(jù)穿著者體形的變化在一定范圍內(nèi)變化。

研究方向

智能材料是一種集材料與結(jié)構(gòu)、智然處理、執(zhí)行系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和傳感系統(tǒng)于一體的復(fù)雜的材料體系。它的設(shè)計(jì)與合成幾乎橫跨所有的高技術(shù)學(xué)科領(lǐng)域。構(gòu)成智能材料的基本材料組元有壓電材料、形狀記憶材料、光導(dǎo)纖維、電（磁）流變液、磁致伸縮材料和智能高分子材料等。智能材料的出現(xiàn)將使人類文明進(jìn)入一個(gè)新的高度，但距離實(shí)用階段還有一定的距離。今后的研究重點(diǎn)包括以下六個(gè)方面：

（1） 智能材料概念設(shè)計(jì)的仿生學(xué)理論研究

（2） 材料智然內(nèi)稟特性及智商評(píng)價(jià)體系的研究

（3）耗散結(jié)構(gòu)理論應(yīng)用于智能材料的研究

（4） 機(jī)敏材料的復(fù)合－集成原理及設(shè)計(jì)理論

（5） 智能結(jié)構(gòu)集成的非線性理論

（6） 仿人智能控制理論

出現(xiàn)時(shí)間

智能材料的構(gòu)想來(lái)源于仿生（仿生就是模仿大自然中生物的一些獨(dú)特功能制造人類使用的工具，如模仿蜻蜓制造飛機(jī)等等），它的目標(biāo)就是想研制出一種材料，使它成為具有類似于生物的各種功能的“活”的材料。因此智能材料必須具備感知、驅(qū)動(dòng)和控制這三個(gè)基本要素。但是現(xiàn)有的材料一般比較單一，難以滿足智能材料的要求，所以智能材料一般由兩種或兩種以上的材料復(fù)合構(gòu)成一個(gè)智能材料系統(tǒng)。這就使得智能材料的設(shè)計(jì)、制造、加工和性能結(jié)構(gòu)特征均涉及到了材料學(xué)的最前沿領(lǐng)域，使智能材料代表了材料科學(xué)的最活躍方面和最先進(jìn)的發(fā)展方向。

材料特征

因?yàn)樵O(shè)計(jì)智能材料的兩個(gè)指導(dǎo)思想是材料的多功能復(fù)合和材料的仿生設(shè)計(jì)，所以智能材料系統(tǒng)具有或部分具有如下的智能功能和生命特征：

（1）傳感功能（Sensor）

能夠感知外界或自身所處的環(huán)境條件，如負(fù)載、應(yīng)力、應(yīng)變、振動(dòng)、熱、光、電、磁、化學(xué)、核輻射等的強(qiáng)度及其變化。

（2）反饋功能（Feedback）

可通過傳感網(wǎng)絡(luò)，對(duì)系統(tǒng)輸入與輸出信息進(jìn)行對(duì)比，并將其結(jié)果提供給控制系統(tǒng)。

（3）信息識(shí)別與積累功能

能夠識(shí)別傳感網(wǎng)絡(luò)得到的各類信息并將其積累起來(lái)。

（4）響應(yīng)功能

能夠根據(jù)外界環(huán)境和內(nèi)部條件變化，適時(shí)動(dòng)態(tài)地作出相應(yīng)的反應(yīng)，并采取必要行動(dòng)。

（5）自診斷能力（Self－diagnosis）

能通過分析比較系統(tǒng)的狀況與過去的情況，對(duì)諸如系統(tǒng)故障與判斷失誤等問題進(jìn)行自診斷并予以校正。

（6）自修復(fù)能力（Self－recovery）

能通過自繁殖、自生長(zhǎng)、原位復(fù)合等再生機(jī)制，來(lái)修補(bǔ)某些局部損傷或破壞。

（7）自調(diào)節(jié)能力（Self－adjusting）

對(duì)不斷變化的外部環(huán)境和條件，能及時(shí)地自動(dòng)調(diào)整自身結(jié)構(gòu)和功能，并相應(yīng)地改變自己的狀態(tài)和行為，從而使材料系統(tǒng)始終以一種優(yōu)化方式對(duì)外界變化作出恰如其分的響應(yīng)。

常見

1．壓電材料

壓電材料是一種能夠?qū)崿F(xiàn)電能與機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的機(jī)敏材料，壓電材料主要包括無(wú)機(jī)壓電材料、有機(jī)壓電材料和壓電復(fù)合材料 3類。居里兄弟在對(duì)石英晶體的介電現(xiàn)象和晶體對(duì)稱性的試驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)，壓電效應(yīng)分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng) 2種情況。當(dāng)機(jī)械力作用在其上時(shí)，內(nèi)部正負(fù)電荷中心發(fā)生相對(duì)位移而產(chǎn)生電的極化，就是正壓電效應(yīng)

2．形狀記憶合金

形狀記憶合金是自執(zhí)行智能材料的一種。20世紀(jì) 60年代美國(guó)海軍軍械研究所的Buehler在研究中發(fā)現(xiàn)了鎳鈦（Ni －Ti）合金具有“形狀記憶效應(yīng)”，并以此為基礎(chǔ)研究了形狀記憶合金。利用這一特性可以制成理想驅(qū)動(dòng)器，因其被加熱至奧氏體溫度時(shí)，可自行恢復(fù)到原形狀。其通常以細(xì)絲狀態(tài)用于智能結(jié)構(gòu)，主要適合于低能量要求的低頻和高撞擊應(yīng)用。目前形狀記憶材料已經(jīng)形成了相對(duì)較大的一個(gè)門類，主要分為 ：形狀記憶合金、形狀記憶陶瓷、形狀記憶聚合物。

3．電流變液

電流變液也是自執(zhí)行智能材料的一種，是與磁流變體性能極為相似的混合物。這種材料在常態(tài)下是流體，其中自由分布著許多細(xì)小可極化懸浮顆粒，當(dāng)這種流體處于電場(chǎng)或磁場(chǎng)中，在電場(chǎng)或磁場(chǎng)的作用下，其中的懸浮顆粒很快形成鏈狀，從而形成具有一定屈服強(qiáng)度的半固體，這樣的電流變體或磁流變體具有響應(yīng)快、阻尼大、功耗小的特點(diǎn) 。