智能材料的应用和发展.docx

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智能材料的应用和发展

智能材料的应用和发展

作者

李万飞

指导教师

郝洪荣

【内容摘要】智能材料是一种感知外部刺激，能够判断并适当处理且本身可执行的新型功能材料。

本文（主要）介绍了智能材料的仿生构想，并重点介绍了智能金属材料、智能无机非金属材料、智能高分子材料、智能纤维、仿生工程材料的构成原理、应用领域和研究现状，并阐述了智能材料的战略意义，展望了它的发展前景,最后探讨了智能材料与材料科学的关系及其发展趋势。

【关键词】智能材料、仿生、智能纤维。

TheApplicationAndDevelopmentOfIntelligentMaterials

ContentAbstract：

TheintelligentmaterialisonekindofnewFunctionalMaterialsthatcansensationtheexteriorstimulation,judgeandpropertreate,alsoiselfcanbeexecuted.Thispaper（main）introducedtheintelligentmaterialbiologicalmodellingconception,andkeyintroducedtheConstitutionprinciple,applicationdomainandpresentresearchsituationofIntelligencemetallicmaterial,intelligentinorganicnonmetallicmaterial,intelligenthighpolymermaterial,intelligenttextilefiber,andthebionicengineeringmaterials.Elaboratedthestrategicsignificanceofsmartmaterialsandlookforwardtoitsfuturedevelopment.Atlast,dscussedtherelationshipbetweensmartmaterialandmaterialsscienceanditsdevelopmenttrend.

KeyWords:

TheItelligentMterial,、Thebionic,、IntelligentFiber.

一、智能材料

在这个新材料层出不穷的时代，智能材料也是独领风骚的一朵奇葩，是二十世纪九十年代迅速发展起来的一类新型复合材料。

智能材料又可以称为敏感材料，其英文翻译也有若干种，常用的有Intelligentmaterial，Intelligentmaterialandstructure，Smartmaterial，Smartmaterialandstructure，Adaptivematerialandstructure等。

它的构想来源于仿生（仿生就是模仿大自然中生物的一些独特功能制造人类使用的工具，如模仿蜻蜓制造飞机等等），它的目标就是想研制出一种材料，使它成为具有类似于生物的各种功能的“活”的材料.因此智能材料必须具备感知，驱动和控制这三个基本要素。

具体来说需具备以下内涵：

（1）具有感知功能，能够检测并且可以识别外界（或者内部）的刺激强度，如电、光、热、应力、应变、化学、核辐射等；

（2）具有驱动功能，能够响应外界变化；

（3）能够按照设定的方式选择和控制响应；

（4）反应比较灵敏，及时和恰当；

（5）当外部刺激消除后，能够迅速恢复到原始状态。

举一个简单的应用了智能材料的例子：

某些太阳镜的镜片当中含有智能材料，这种智能材料能感知周围的光，并能够对光的强弱进行判断，当光强时，它就变暗，当光弱时，它就会变的透明。

[1]

但是现有的材料一般比较单一，难以满足智能材料的要求，所以智能材料一般由两种或两种以上的材料复合构成一个智能材料系统。

这就使得智能材料的设计、制造、加工和性能结构特征均涉及到了材料学的最前沿领域，使智能材料代表了材料科学的最活跃方面和最先进的发展方向。

下面我们将从智能材料的特征、构成和分类来简单的介绍一下。

1、智能材料的特征

设计智能材料的两个指导思想是材料的多功能复合和材料的仿生设计，所以智能材料系统具有或部分具有如下的智能功能和生命特征：

（1）传感功能（Sensor）

能够感知外界或自身所处的环境条件，如负载、应力、应变、振动、热、光、电、磁、化学、核辐射等的强度及其变化。

（2）反馈功能（Feedback）

可通过传感网络，对系统输入与输出信息进行对比，并将其结果提供给控制系统。

（3）信息识别与积累功能

能够识别传感网络得到的各类信息并将其积累起来。

（4）响应功能

能够根据外界环境和内部条件变化，适时动态地作出相应的反应，并采取必要行动。

（5）自诊断能力（Self-diagnosis）

能通过分析比较系统目前的状况与过去的情况，对诸如系统故障与判断失误等问题进行自诊断并予以校正。

（6）自修复能力（Self-recovery）

能通过自繁殖、自生长、原位复合等再生机制，来修补某些局部损伤或破坏。

（7）自调节能力（Self-adjusting）

对不断变化的外部环境和条件，能及时地自动调整自身结构和功能，并相应地改变自己的状态和行为，从而使材料系统始终以一种优化方式对外界变化作出恰如其分的响应。

2、智能材料的构成

一般来说智能材料由基体材料、敏感材料、驱动材料和信息处理器四部分构成。

[1]

（1）基体材料

基体材料担负着承载的作用，一般宜选用轻质材料。

一般基体材料首选高分子材料，因为其重量轻、耐腐蚀，尤其具有粘弹性的非线性特征。

其次也可选用金属材料，以轻质有色合金为主。

（2）敏感材料

　敏感材料担负着传感的任务，其主要作用是感知环境变化（包括压力、应力、温度、电磁场、PH值等）。

常用敏感材料如形状记忆材料、压电材料、光纤材料、磁致伸缩材料、电致变色材料、电流变体、磁流变体和液晶材料等。

（3）驱动材料

因为在一定条件下驱动材料可产生较大的应变和应力，所以它担负着响应和控制的任务。

常用有效驱动材料如形状记忆材料、压电材料、电流变体和磁致伸缩材料等。

可以看出，这些材料既是驱动材料又是敏感材料，显然起到了身兼二职的作用，这也是智能材料设计时可采用的一种思路。

（4）其它功能材料

包括导电材料、磁性材料、光纤等。

a、导电材料包含导电塑料和导电橡胶。

导电橡胶是将玻璃镀银、铝镀银、银等导电颗粒均匀分布在硅橡胶中，通过压力使导电颗粒接触，达到良好的导电性能。

导电橡胶具有良好的电磁密封和水汽密封能力，在一定压力下能够提供良好的导电性（抑制频率达到40GHz）。

b、磁性材料主要是指由过渡元素铁、钴、镍及其合金等组成的能够直接或间接产生磁性的物质。

磁性材料从材质和结构上讲，分为“金属及合金磁性材料”和“铁氧体磁性材料”两大类，铁氧体磁性材料又分为多晶结构和单晶结构材料。

从应用功能上讲，磁性材料分为：

软磁材料、永磁材料、磁记录-矩磁材料、旋磁材料等等种类。

磁性材料从形态上讲。

包括粉体材料、液体材料、块体材料、薄膜材料等。

c、光纤是光导纤维的简写，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。

微细的光纤封装在塑料护套中，使得它能够弯曲而不至于断裂。

通常，光纤的一端的发射装置使用发光二极管（lightemittingdiode，LED）或一束激光将光脉冲传送至光纤，光纤的另一端的接收装置使用光敏元件检测脉冲。

[1]

3、智能材料的分类

智能材料是继天然材料、人造材料、精细材料之后的第四代功能材料。

因为现在可用于智能材料的材料种类不断扩大，所以智能材料的分类也只能是粗浅的，分类方法也有多种，一般若按功能来分可以分为光导纤维、形状记忆合金、压电、电流变体和电（磁）致伸缩材料等。

若按来源来分，智能材料可以分为金属系智能材料、无机非金属系智能材料和高分子系智能材料。

目前研究开发的金属系智能材料主要有形状记忆合金和形状记忆复合材料两大类；无机非金属系智能材料在电流变体、压电陶瓷、光致变色和电致变色材料等方面发展较快。

下面我们主要介绍智能材料八种主要种类：

1）、形状记忆合金；2）、电流变体和磁流变体；3）、磁致伸缩材料；4）、压电陶瓷；5）、电致伸缩陶瓷；6）、光致变色玻璃；7）、电致变色材料；8）、光导纤维。

1）、形状记忆合金（SMA）

一般金属材料受到外力作用后，首先发生弹性变形，达到屈服点，就产生塑性变形，应力消除后留下永久变形。

但有些材料，在发生了塑性变形后，经过合适的热过程，能够回复到变形前的形状，这种现象叫做形状记忆效应（SME）。

具有形状记忆效应的金属一般是两种以上金属元素组成的合金，称为形状记忆合金（SMA）[2]。

根据不同的记忆功能，形状记忆合金可分为单程、双程、全程记忆效应和伪弹性等。

（1）单程记忆效应（OneWayShapeMemory，简称OWSM）：

形状记忆合金在较低的温度下变形，加热后可恢复变形前的形状，这种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。

（2）双程记忆效应（TwoWayShapeMemory，简称TWSM）：

某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状，称为双程记忆效应。

（3）全程记忆效应（All-roundShapeMemory，简称ARSM）：

加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状，称为全程记忆效应。

三种记忆效应图

目前，已开发成功的形状记忆合金有TiNi基形状记忆合金、铜基形状记忆合金、铁基形状记忆合金等。

最早关于形状记忆效应的报道是由Chang及Read等人在1952年作出的。

他们观察到Au-Cd合金中相变的可逆性。

后来在Cu-Zn合金中也发现了同样的现象，但当时并未引起人们的广泛注意。

直到1962年，Buehler及其合作者在等原子比的TiNi合金中，观察到具有宏观形状变化的记忆效应，才引起了材料科学界与工业界的重视。

到70年代初，CuZn、CuZnAl、CuAlNi等合金中也发现了与马氏体相变有关的形状记忆效应。

几十年来，有关形状记忆合金的研究已逐渐成为国际相变会议和材料会议的重要议题，并为此召开了多次专题讨论会，不断丰富和完善了马氏体相变理论。

形状记忆合金的具体应用：

工业应用：

（1）利用单程形状记忆效应的单向形状恢复。

如管接头、天线、套环等。

（2）外因性双向记忆恢复。

即利用单程形状记忆效应并借助外力随温度升降做反复动作，如热敏元件、机器人、接线柱等。

（3）内因性双向记忆恢复。

即利用双程记忆效应随温度升降做反复动作，如热机、热敏元件等。

但这类应用记忆衰减快、可靠性差，不常用。

（4）超弹性的应用。

如弹簧、接线柱、眼镜架等。

医学应用：

TiNi合金的生物相容性很好，利用其形状记忆效应和超弹性的医学实例相当多。

如血栓过滤器、脊柱矫形棒、牙齿矫形丝、脑动脉瘤夹、接骨板、髓内针、人工关节、心脏修补元件、人造肾脏用微型泵等。

脊柱修复支架人造血管

2）、电流变体和磁流变体（ElectrorheologicalfluidandMagnetorheologicalfluids）

电致、磁致变体智能材料大多是由合成材料或陶瓷材料制成的，具有在电场或磁场的作用下发生变性的能力，其变化的大小与电场和磁场的强度有关。

科学家研制成功一种电致变性材料，这种材料在接通电流时，可以从液体变为接近固体。

如果向空心复合梁中充入电流变性液体材料，在外电场的作用下，这种液体材料就会变硬，从而使梁变成僵硬状。

将电致变性现象与传感器结合起来，就可以实现使复合梁随着负载的变化而改变其性质。

这将是装配结构智能化的一个突破性的新起点。

电致变性材料还可以用作在地震时能自动加固建筑物的基础。

　　此外，磁致变性材料在机电工业中也有广泛的用途。

电流变体和磁流变体构成：

无论是电流变体还是磁流变体，其组成通常包含有如下几种成分：

（1）连续介质（或称溶剂、载液）：

低粘度液体，硅油、石腊油、橄榄油、变压器油以及煤油、润滑油或真空油等矿物油，包括辛烷、甲苯、水银、烃类、酯类、聚苯醚等。

（2）粒子介质（或称溶质、介电微粒）有三类：

金属类（如铁、钴、镍、铜、铁氧体、氧化铁、四氧化三铁等）、陶瓷类（如压电陶瓷、高岭土、硅藻土、硅石、沸石等）、半导体高分子材料（如明胶、淀粉等）。

粒子介质通常具有亲水性、多孔性。

（3）稳定剂：

主要有油酸、亚油酸等不饱和脂肪酸、酒精、胺、聚胺类、磷酸衍生物、盐类、皂类、长链状高聚物等。

其作用是增加悬浮粒子的稳定性或产生粒子间的胶态分子团桥，粒子既不产生沉淀又不出现絮凝，而使流体始终处于溶胶或凝胶态。

（4）添加剂：

有机活性化合物、非离子表面活化剂和水等，常也是流变体的重要组成部分。

对于电流变体而言，许多场合下，用水作添加剂。

[9]

3）、磁致伸缩材料（Magnetostrictivematerial）

磁致伸缩材料是具有磁致伸缩特性的材料。

磁致伸缩是指在交变磁场的作用下，物体产生与交变磁场频率相同的机械振动；或者相反，拉伸、压缩力作用下，由于材料的长度发生变化，使材料内部磁通密度相应地发生变化，在线圈中感应电流，机械能转换为电能。

目前磁致伸缩智能材料的主流是稀土磁致伸缩材料，稀土超磁致伸缩材料是近期才发展起来的一种新型功能材料。

这种材料在电磁场的作用下可以产生微变形或声能，也可以将微变形或声能转化为电磁能。

在国防、航空航天和高技术领域应用极为广泛，如声纳与水声对抗换能器、线性马达、微位移驱动（如飞机机翼和机器人的自动调控系统），噪声与振动控制系统、海洋勘探与水下通讯、超声技术（医疗、化工、制药、焊接等）、燃油喷射系统等领域。

它具有磁致伸缩值大，机械响应速度快和功率密度高特点。

[10]

磁致伸缩智能材料的主要用途是：

（1）由于稀土超大磁致伸缩材料比传统材料在性能上有了惊人的提高，所以在电器、家电、通讯器材、电脑等生产领域，稀土磁致伸缩材料逐渐取代了传统的磁致伸缩材料和电致伸缩材料，使产品升级和更新换代更加容易。

（2）由于稀土超大磁致伸缩材料的独特的性能，特别是在应用领域里呈现出的重要使用价值，越来越受到人们的普遍关注，可被用于开发新一代的元器件，如广泛应用于精密控制系统（如油料控制、司服仪、导弹发射控制装置等），声光发射系统（如信号处理、声纳扫描、超声、水声等），以及换能器、驱动器等等的开发。

对于磁致伸缩智能材料的应用，目前，美国位居各国之首，其成功标志在于开发出了一系列用于军事目的的尖端产品，如美国已成功地将其应用于舰艇水下声纳探测系统以及导弹发射控制装置等。

但是我国对磁致伸缩智能材料新产品的开发还处于起步阶段，但也已呈现出良好的发展势头。

如中国长江水利委员会应用这种材料，开发出了大功率岩体声波探测器，应用于三峡工程和地球物理勘探；辽河油田应用这种材料，开发出了井下物理法采油装量；东北大学和XX理工大学应用这种材料，拟在进给和精密定位方面进行联合开发。

[1]

4）、压电陶瓷（Piezoelectricceramics）

压电智能材料可以将压强、振动等迅速转变为电信号，或将电信号转变为振动信号，也就是说压电材料在外电场的作用下可以产生微小变形，同时也可以将微小变形转变为电信号。

而且新一代的压电材料还具有了条件反射和指令分析的能力。

其特征和运转方式类似于人的神经系统，可执行类似于大脑的指令。

压电材料的这种独特功能，使其在智能材料系统中具有广阔的应用前景。

（1）压电陶瓷驱动器

由于压电陶瓷具有把电能转变为机械能的能力，因此当应用系统通电给压电陶瓷时，使材料的自发偶极矩发生变化，从而使材料的尺寸发生改变，这种效应能产生200-300的微应变，据报道，88层的压电陶瓷片做成的驱动器可在20ms内产生50μm的位移，响应速度之快是其它材料所无法比拟的，是高精度、高速驱动器所必须的材料，已应用在各种跟踪系统、自适应光学系统、机器人微定位器、磁头、喷墨打印机和扬声器等。

（2）压电传感器

由于压电材料对于所加应力能产生可测量的电信号，因此在高智能材料系统中可用做传感器。

PVDF压电陶瓷的压电性比石英高3-5倍，压电系数值更高，并且可以做得很薄，可贴在物体表面，非常适合做传感器。

在机器人上做触觉传感器可感知温度、压力，采用不同模式可以识别边角、棱等几何特征。

同时这种材料具有热释电效应，可用作温度传感器。

压电复合材料的发展，克服了压电陶瓷自身的脆性和聚合物压电材料的温度限制，而更加受到重视。

杆状和片状这种柔性压电复合材料做成的传感器被广泛应用于水声和医用超声传感器，其灵敏度和力学性能很好。

而另一种含有压电粉末的聚合物连通性压电复合材料，可做成膏状或涂层，涂于复杂形状结构上，可以提供该结构的应力状态以及安全状态。

压电材料——这一古老的材料，通过对其进行改性或与其它材料复合，应用在智能材料与结构中可以决传统技术中难于解决的一些关键问题，而且其作用也是其它材料难以取代的，应引起压电材料研究者的高度重视和深入研究。

科学家最近研制成功一种压电晶体，如果将其放入壁纸中，就可以大大减小冰箱或空调机的噪声，给住户创造了一个安静的居住环境。

[1]

5）、电致伸缩材料（Electrostrictionmaterial）

（1）原理

电致伸缩材料，从某种意义上可以说就是指或主要是指压电材料。

因为,就物理实质而言,压电材料与电致伸缩材料并没有根本区别,只不过前者强调的是利用正压电效应,后者强调的是利用逆压电效应。

事实上，压电材料是一种同时兼具正逆电机械耦合特性的功能材料，若对其施加作用力，则在它的两个电极上将感应产生等量异号电荷；反之，当它受到外加电压的作用时，便会产生机械变形。

基于这一原因,压电材料在智能机构中被广泛地用作传感器和驱动器（即执行器）。

并且，这类传感器和驱动器比其他类型的传感器和驱动器具有更为优良的频率特性和可集成特性。

若将它们与其他组元有效地组合起来，则可构成一个对结构控制极为有效的智能材料系统。

这个系统几乎可以完全根据设计者的意图调整结构的阻尼与自振频率等动力学特性,同时还可对结构的位移、应变、应力、加速度和破坏情况进行自动监测。

（2）分类

常用的压电材料大致可分为三类。

第一类是无机压电材料，如压电晶体（石英SiO2）和压电陶瓷（钛酸钡BT、锆钛酸铅PZT、改性锆钛酸铅、偏铌酸铅PN、铌酸铅钡锂PBLN、改性钛酸铅PT）等。

这类材料的研制成功,促进了声换能器、压电传感器等各种压电器件性能的改善和提高。

第二类是有机压电材料，又称压电聚合物，如偏聚氟乙烯（PVDF）（薄膜）及以它为代表的其他有机压电（薄膜）材料。

这类材料以其材质柔韧、低密度、低声阻抗和高压电电压常数（g）等优点为世人瞩目，且发展十分迅速，现已在水声、超声测量、压力传感、引燃引爆等方面获得应用。

不足之处是压电应变常数（d）偏低，使之作为有源发射换能器受到很大的限制。

第三类是复合压电材料，这类材料是在有机聚合物基底材料中嵌入片状、棒状、杆状或粉末状无机压电材料构成的，可以说是第一类与第二类压电材料相结合的产物，但这种结合并非是单纯地按比例机械混合，而是在材料设计中充分考虑两者之间的“耦合效应”后所实现的最佳组合。

这类材料,既具有高的耦合系数、压电常数，又具有低密度、低声阻抗和良好的柔韧性，至今已在水声、电声、超声、医学等领域得到广泛应用。

如用它制成水声换能器不仅具有高的静水压响应速率，而且耐冲击，不易受损且可用于不同的深度。

（3）应用

可用于智能材料与结构的驱动器材料有许多种，但从实用价值看，应用最广的仍是压电陶瓷与形状记忆合金。

压电陶瓷作为驱动元件，无疑具有价廉、小巧、质轻、易于与基体结合、响应速度快等优点；此外,它对结构的动力学特性的影响很小；并且通过分布排列可实现大规模的结构驱动，因而具有较强的驱动能力和控制作用。

但是,也应看到：

应用于驱动器的压电陶瓷，由于承担着将电能转换成机械能的职能。

因此，它不但应具有大的机电耦合系数与压电常数，还须具备高的机械品质因数Qm与居里点，为寻求这样的材料，国内外学术界做了大量的工作。

[11]

6）、光致变色玻璃（Photochromicglass）

在通常条件下，玻璃是透明的。

对于有些玻璃，在紫外光或者可见光的照射下，可产生可见光区域的光吸收，使玻璃发生透光度降低或者产生颜色变化，并且在光照停止后不能自动恢复到原来的透明状态，称之为光致变玻璃。

一般来说是在普通的玻璃成分中引入光敏剂生产光致变色玻璃，常用的普通玻璃有铝硼硅酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、磷酸盐玻璃等。

常用的光敏剂包括卤化银、卤化铜等等。

通常光敏剂以微{TodayHot}晶状态均匀地分散在玻璃中，在日光照射下分解，降低玻璃的透光度。

当玻璃在暗处时，光敏剂再度化合，恢复透明度，玻璃的着色和退色是可逆的、永久的。

光致变色玻璃的装饰特性是玻璃的颜色和透光度随日照强度自动变化。

日照强度高，玻璃的颜色深，透光率低；反之，日照强度低，玻璃的颜色浅，透光度高。

用光致变色玻璃装饰建筑，使得室内光线柔和、色彩多变，又使得建筑色彩斑斓，变幻莫测，与建筑的日照环境协调一致。

除用作变色眼镜外，还应用于建筑物门窗、幕墙、汽车防护玻璃、航天器窗口、激光防护、以及装饰等。

[12] 

7）、电致变色材料（Electrochromicmaterials）

电致变色是指材料的光学属性（反射率、透过率、吸收率等）在外加电场的作用下发生稳定、可逆的颜色变化的现象，在外观上表现为颜色和透明度的可逆变化。

具有电致变色性能的材料称为电致变色材料，用电致变色材料做成的器件称为电致变色器件。

电致变色材料分为无机电致变色材料和有机电致变色材料。

无机电致变色材料的典型代表是三氧化钨，目前，以WO3为功能材料的电致变色器件已经产业化。

而有机电致变色材料主要有聚噻吩类及其衍生物、紫罗精类、四硫富瓦烯、金属酞菁类化合物等。

以紫罗精类为功能材料的电致变色材料已经得到实际应用。

（1）电致变色的工作原理：

在外加电场作用下，材料由于电子、离子的双注入导致结构或价态发生可逆变化，进而调节材料的透过与反射特性，表现为材料颜色的变化。

（2）电致变色技术的应用

电致变色智能玻璃在电场作用下具有光吸收透过的可调节性，可选择性地吸收或反射外界的热辐射和内部的热的扩散，减少办公大楼和民用住宅在夏季保持凉爽和冬季保持温暖而必须消耗的大量能源。

同时起到改善自然光照程度、防窥的目的。

解决现代不断恶化的城市光污染问题。

是节能建筑材料的一个发展方向。

电致变色材料具有双稳态的性能，用电致变色材料做成的电致变色显示器件不仅不需要背光灯，而且显示静态图象后，只要显示内容不变化，就不会耗电，达到节能的目的。

电致变色显示器与其它显示器相比具有无视盲角、对比度高等优点。

用电致变色材料制备的自动防眩目后视镜，可以通过电子感应系统，根据外来光的强度调节反射光的强度，达到防眩目的作用，使驾驶更加安全。

电致变色智能玻璃能以较低的电压（2-5V）和较低的功率调节汽车、飞机内部的光线强度，使旅途更加舒适。

目前，电致变色调光玻璃已经在一些高档轿车和飞机上得到应用。

[13]

8）、光导纤维（Opticalfiber）

光导纤维，有时亦可称为智能光纤。

众所周知，智能材料系统必须具备的最关键的功能之一是“传感”。

由于光纤具有其它任何材料都无法比拟的优异的传输功能，可以随时提供描述系统状态的准确信息，因此理所当然地成了最重要的信息传输材料，广泛地应用于各通信领域，并充任了智能材料系统中“神经网络”的关键角色。

同时，又由于通过分析光的传输特性（强