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 實際成果

5. 5 研究方向

6. 6 出現(xiàn)時間

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。大體來說，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，對之進行分析、處理、判斷，并采取一定的措施進行適度響應的智能特征的材料。具體來說，智能材料需具備以下內(nèi)涵：

（1）具有感知功能，能夠檢測并且可以識別外界（或者內(nèi)部）的刺激強度，如電，光，熱，應力，應變，化學，核輻射等；

（2）具有驅(qū)動功能，能夠響應外界變化；

（3）能夠按照設定的方式選擇和控制響應；

（4）反應比較靈敏，及時和恰當；

（5）當外部刺激消除后，能夠迅速恢復到原始狀態(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，并根據(jù)實際情況作出優(yōu)化反應，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、動作和處理功能的三種原始材料。傳感元件采集和檢測外界環(huán)境給予的信息，控制處理器指揮和激勵驅(qū)動元件，執(zhí)行相應的動作。

（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)境和時間的變化改變自己的性能，如自濾玻璃、受輻射時性能自衰減的Inp半導體等。

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，英國宇航公司在導線傳感器，用于測試飛機蒙皮上的應變與溫度情況；英國開發(fā)出一種快速反應形狀記憶合金，壽命期具有百萬次循環(huán)，且輸出功率高，以它作制動器時、反應時間，僅為10分鐘；在壓電材料、磁致伸縮材料、導電高分子材料、電流變液和磁流變液等智能材料驅(qū)動組件材料在航空上的應用取得大量創(chuàng)新成果。

構(gòu)成

一般來說智能材料由基體材料、敏感材料、驅(qū)動材料和信息處理器四部分構(gòu)成。

（1）基體材料

基體材料擔負著承載的作用，一般宜選用輕質(zhì)材料。一般基體材料首選高分子材料，因為其重量輕、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

敏感材料擔負著傳感的任務，其主要作用是感知環(huán)境變化（包括壓力、應力、溫度、電磁場、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)動材料

因為在一定條件下驅(qū)動材料可產(chǎn)生較大的應變和應力，所以它擔負著響應和控制的任務。常用有效驅(qū)動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，這也是智能材料設計時可采用的一種思路。

（4）其它功能材料

包括導電材料、磁性材料、光纖和半導體材料等。

實際成果

在建筑方面，科學家正集中力量研制使橋梁、高大的建筑設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。英國科學家已開發(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，它會被撕裂，從而釋放出一些化學物質(zhì)，來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。當鋼筋周圍的酸度達到一定值時，纖維的涂層就會溶解，從纖維中釋放出能阻止混凝土中的鋼筋被腐蝕的物質(zhì)。

在飛機制造方面，科學家正在研制具有如下功能的智能材料：當飛機在飛行中遇到渦流或猛烈的逆風時，機翼中的智能材料能迅速變形，并帶動機翼改變形狀，從而消除渦流或逆風的影響，使飛機仍能平穩(wěn)地飛行。可進行損傷評估和壽命預測的飛機自診斷監(jiān)測系統(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)預計飛機結(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)維護費用，使商業(yè)飛機能獲得可觀的經(jīng)濟效益。此外，還有人設想用智能材料制成涂料，涂在機身和機翼上，當機身或機翼內(nèi)出現(xiàn)應力時，涂料會改變顏色，以此警告。

在醫(yī)療方面，智能材料和結(jié)構(gòu)可用來制造無需馬達控制并有觸覺響應的假肢。這些假肢可模仿人體肌肉的平滑運動，利用其可控的形狀回復作用力，靈巧地抓起易碎物體，如盛滿水的紙杯等。藥物自動投放系統(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張和收縮的聚合物。葡萄糖濃度低時，聚合物條帶會縮成小球，葡萄糖濃度高時，小球會伸展成帶。借助于這一特性，這種聚合物可制成人造胰細胞。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

應用在人體中

胞工作。血液中的血糖濃度高時，小球釋放出胰島素，血糖濃度低時，胰島素被密封。這樣，病人血糖濃度就會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激光、核輻射等多種傳感器的智能蒙皮，可用于對敵方威脅進行監(jiān)視和預警。美國正在為未來的彈道導彈監(jiān)視和預警衛(wèi)星研究在復合材料蒙皮中植入核爆光纖傳感器、X射線光纖探測器等多種智能蒙皮。這種智能蒙皮將安裝在天基防御系統(tǒng)平臺表面，對敵方威脅進行實時監(jiān)視和預警，提高武器平臺抵御破壞的能力。智能材料還能降低軍用系統(tǒng)噪聲。美國軍方發(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目標的時間縮短100倍。

除上述幾個方面外，智能材料的再一個重要進展標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。當溫度降到一定值（相變溫度）以下時，它的形狀會發(fā)生變化；當溫

形狀記憶合金

度再升高到相變溫度以上時，它又會自動恢復原來的形狀。記憶合金的基礎研究和應用研究已比較成熟。一些國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，由于受到強的日光照射，溫度會升高，天線自動展開。除此之外，還有人用記憶合金制成了窗戶自動開閉器。當溫度升至一定程度后窗戶自動打開，溫度下降時自動關(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，但當它被戴到身上時會自動保持自己的形狀，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)于一體的復雜的材料體系。它的設計與合成幾乎橫跨所有的高技術(shù)學科領(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)將使人類文明進入一個新的高度，但距離實用階段還有一定的距離。今后的研究重點包括以下六個方面：

（1） 智能材料概念設計的仿生學理論研究

（2） 材料智然內(nèi)稟特性及智商評價體系的研究

（3）耗散結(jié)構(gòu)理論應用于智能材料的研究

（4） 機敏材料的復合－集成原理及設計理論

（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)時間

智能材料的構(gòu)想來源于仿生（仿生就是模仿大自然中生物的一些獨特功能制造人類使用的工具，如模仿蜻蜓制造飛機等等），它的目標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)動和控制這三個基本要素。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合構(gòu)成一個智能材料系統(tǒng)。這就使得智能材料的設計、制造、加工和性能結(jié)構(gòu)特征均涉及到了材料學的最前沿領(lǐng)域，使智能材料代表了材料科學的最活躍方面和最先進的發(fā)展方向。

材料特征

因為設計智能材料的兩個指導思想是材料的多功能復合和材料的仿生設計，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，如負載、應力、應變、振動、熱、光、電、磁、化學、核輻射等的強度及其變化。

（2）反饋功能（Feedback）

可通過傳感網(wǎng)絡，對系統(tǒng)輸入與輸出信息進行對比，并將其結(jié)果提供給控制系統(tǒng)。

（3）信息識別與積累功能

能夠識別傳感網(wǎng)絡得到的各類信息并將其積累起來。

（4）響應功能

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

（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，對諸如系統(tǒng)故障與判斷失誤等問題進行自診斷并予以校正。

（6）自修復能力（Self－recovery）

能通過自繁殖、自生長、原位復合等再生機制，來修補某些局部損傷或破壞。

（7）自調(diào)節(jié)能力（Self－adjusting）

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

常見

1．壓電材料

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

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 60年代美國海軍軍械研究所的Buehler在研究中發(fā)現(xiàn)了鎳鈦（Ni －Ti）合金具有“形狀記憶效應”，并以此為基礎研究了形狀記憶合金。利用這一特性可以制成理想驅(qū)動器，因其被加熱至奧氏體溫度時，可自行恢復到原形狀。其通常以細絲狀態(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用。目前形狀記憶材料已經(jīng)形成了相對較大的一個門類，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小可極化懸浮顆粒，當這種流體處于電場或磁場中，在電場或磁場的作用下，其中的懸浮顆粒很快形成鏈狀，從而形成具有一定屈服強度的半固體，這樣的電流變體或磁流變體具有響應快、阻尼大、功耗小的特點 。