[科普中國]-智能材料

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(yīng)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(yīng)力，應(yīng)變，化學(xué)，核輻射等；

(2)具有驅(qū)動功能，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,及時和恰當；

(5)當外部刺激消除后,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(yīng)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(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，英國宇航公司在導(dǎo)線傳感器，用于測試飛機蒙皮上的應(yīng)變與溫度情況；英國開發(fā)出一種快速反應(yīng)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(yīng)時間，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(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、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(yīng)變和應(yīng)力，所以它擔負著響應(yīng)和控制的任務(wù)。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?？梢钥闯觯@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(shè)計時可采用的一種思路。

（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(xué)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(xué)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?？蛇M行損傷評估和壽命預(yù)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(yù)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(shè)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(yīng)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(yīng)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(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(yù)警。美國正在為未來的彈道導(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(yù)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；當溫度再升高到相變溫度以上時，它又會自動恢復(fù)原來的形狀。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(fù)雜的材料體系。它的設(shè)計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(shè)計的仿生學(xué)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(yīng)用于智能材料的研究

（4） 機敏材料的復(fù)合-集成原理及設(shè)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(fù)合構(gòu)成一個智能材料系統(tǒng)。這就使得智能材料的設(shè)計、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的發(fā)展方向。

材料特征因為設(shè)計智能材料的兩個指導(dǎo)思想是材料的多功能復(fù)合和材料的仿生設(shè)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(yīng)力、應(yīng)變、振動、熱、光、電、磁、化學(xué)、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(luò)，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(luò)得到的各類信息并將其積累起來。

（4）響應(yīng)功能

能夠根據(jù)外界環(huán)境和內(nèi)部條件變化，適時動態(tài)地作出相應(yīng)的反應(yīng)，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(fù)能力（Self-recovery）

能通過自繁殖、自生長、原位復(fù)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(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(fù)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(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(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 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(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)動器，因其被加熱至奧氏體溫度時，可自行恢復(fù)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(yīng)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(yīng)快、阻尼大、功耗小的特點1。