智能材料综述.docx

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智能材料综述

智能材料综述

机械工程学院09级机电班曹瑞珉

前言

当初对智能材材料感兴趣是因为这是一个逐渐兴起的和很快会成为主流的材料学分枝,感觉很神奇，和现实差距很大，心中有很多疑问，又觉得这种材料有很大的发展前途，便结合自己听课的内容及网上资料的查阅写下对智能材料的认识。

我写这篇综述，一是为了扩展知识面，想要多了解一下有关的知识，二是为了锻炼自己写综述的能力，为以后的工作奠定基础。

1概述

智能材料的构想来源于仿生学，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。

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。

纵观材料发展，经历了单一型、复合型和杂化型，进而发展为异种材料间不分界的整体式融合型材料，最近几年兴起的智能材料是受集成电路技术的启迪而构思的三维组件式融合性材料[图1]。

它是通过在原子、分子及其团簇等微观、亚微观水平上进行材料结构设计和控制，赋予材料自感知（传感功能）判断、自结构（处理功能）和自指令（相应功能）等智能性。

由此可知，智能材料不同于以往的传统材料，它模仿生命系统，具有传感、处理和响应功能，而且较机敏材料（只能进行简单线性响应）更近于生命系统，它能根据环境条件的变化程度实现非线性响应已达到最佳适应效果。

智能化概念实际上是把信息科学里德软件功能引入到材料、系统和新材料的产生，本文将就有关科学问题进行研讨，以期对这门必将在21世纪大放异彩的智能材料科学的发展有所裨益【1】。

2定义

智能材料问世于80年代末,关于其定义至今尚无统一的定论。

不过,对以下提法,学者们似乎不持异议。

智能材料是一种能从自身的表层或内部获取关于环境条件及其变化的信息,随后进行判断、处理和作出反应,以改变自身的结构与功能,并使之很好地与外界相协调的具有自适应性的材料系统。

或者说,智能材料是指在材料系统或结构中,可将传感、控制和驱动种职能集于一身,通过自身对信息的感知、采集、转换、传输和处理,发出指令,并执行和完成相应的动作,从而赋予材料系统或结构健康自诊断、工况自检测、过程自监控、偏差自校正、损伤自修复与环境自适应等智能功能和生物特征,以达到增强结构安全、减轻构件重量、降低能量消耗和提高整体性能之目的的一种材料系统与结构。

具体来说，智能材料需具备以下内涵：

（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。

发展历史

材料的发展已由石器材料、钢铁材料、合金高分子材料、人工设计材料进入智能材料，即进入第5代材料。

智能材料的特点是它的特性可随环境和空间而变化，它是最近几年颇受重视的高技术尖端材料。

目前智能材料正在形成新材料领域的一门新的分支学科，国际上一大批专家学者，包括化学家、物理学家、材料学家、生物学家、计算机专家、海洋工程专家、航空以及其他领域的专家对智能材料这一学科的潜力充满了信心，正致力于发展这一学科。

1992年2月，英国斯特拉克莱德大学成立了机敏结构材料研究所。

在此之前，美国弗吉尼亚理工学院和弗吉尼亚州立大学成立了智能材料研究中心，密执安州立大学成立了智能材料和结构实验室。

日本东北大学、三重大学、信州大学、日立造船技术研究所、金泽大学工学院等学校和研究单位的各学科的教授和研究人员都在研究各自感兴趣的仿生智能材料。

世界范围的智能材料研讨会也开始增多。

1992年1月，在苏格兰召开了第一届欧洲机敏材料和结构讨论会。

1992年3月，日本科技厅主办了第一届国际智能材料研讨会。

第一份专门介绍这一学科的刊物《智能材料系统和结构杂志》已经出版。

我国对智能材料的研究也十分重视，1991年国家自然基金会将智能/灵巧材料列入国家高技术研究发展计划纲要的新概念、新构思探索课题，智能灵巧材料及其应用直接作为国家高技术研究发展计划（863计划）项目课题。

为推进我国智能材料的研究，国家自然科学基金委员会材料与工程科学部于1992年成立了“智能材料”集团。

目前从事智能材料研究的单位和个人已逐渐增多。

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）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、光纤和半导体材料等。

（5）信息处理器

信息处理器是核心部分，他对传感器输出信号进行判断处理。

智能材料的基本构成和工作原理

智能材料分类

智能材料的分类方法有很多种。

根据材料的来源，智能材料包括金属系智能材料、非金属系智能材料以及高分子系智能材料。

金属系智能材料

金属材料因强度大、耐热且耐腐蚀，常在航空航天和原子能工业中用作结构材料。

金属材料在作用过程中会产生疲劳龟裂及蠕变变形而损伤。

期望金属系智能结构材料不但可以检测自身的损伤，而且可将其抑制，具有自我修复功能，从而确保结构物的可靠性。

目前研究和开发的金属系智能材料主要有以下两类。

1.形状记忆合金

形状记忆合金是利用应力和温度诱发相变的机理来实现形状记忆功能的一类材料。

其特点是:

将已在高温下定型的形状记忆合金,置于低温或常温下使其产生塑性变形,当环境温度升高到临界温度（相变温度）时,合金变形消失并可恢复到定型时的原始状态。

在此恢复过程中,合金能产生与温度呈函数关系的位移或力,或者二者兼备。

合金的这种升温后变形消失、形状复原的现象称为形状记忆效应（SME）。

形状记忆合金是集“感知”与“驱动”于一体的功能材料。

若将其复合于其它材料中,便可构成在工业、科技、国防等领域中拥有巨大应用潜力的智能材料。

国外学者普遍认为,形状记忆合金可感知复合材料结构件中裂纹的产生与扩展,并可主动地控制构件的振动,抑制裂纹的延伸与扩张,同时还可自动改变结构的外形等。

基于这些原因,有人建议将形状记忆合金、压电聚合物等功能材料制成传感器和驱动器,置于先进的复合材料中,以便实现对材料性能、结构振动与噪音吸收等的主动控制,或对材料的损伤进行自愈合。

形状记忆合金，通常可分为非铁基和铁基两类。

非铁基形状记忆合金有Ni-Ti,Cu-Zn-Al和Cu-Ni-Al;而铁基形状记忆合金有Fe-Pt,Fe-Ni-C和Fe-Ni-Co-Ti等。

高后秀等对铜基形状记忆合金进行了合金化元素及其细化晶粒的研究，提高了铜基形状记忆合金的机械性能，现已用于热水器温控阀并申请了专利。

刘西文等将铁基形状记忆合金用于管道连接，所开发的新型铁基形状记忆合金的记忆幅度达3.2%，连接管道耐压达58.8MPa，为国际报道同类接头耐压值的10倍，并已获准3项专利权，其同步记忆固化管道连接技术和新型铁基形状记忆复合材料形状记忆合金的开发均属国际首创。

形状记忆合金的应用十分广泛,而且在某些领域已达到了实用化的程度,但在多数领域仍有待进一步完善。

形状记忆合金在智能材料与机构中,主要用作驱动器（执行器）。

这种驱动器具有不少优点:

其一,由于形状记忆合金集“感知”与“驱动”于一体,所以便于实现小型化;其二,元件动作不受温度以外的环境条件的影响,故可用于某些特殊场合;其三,可产生较大的形变量和驱动力。

形状记忆合金的应用主要在以下6个方面:

（1）机械器具:

如潜艇用油压管、水管及其它各种管件接头、机器人用微型调节器、热敏阀门、机器人手、脚、工业内窥镜、可变路标等。

（2）汽车部件:

如汽车发动机防热风扇离合器、汽车排气自动调节喷管、柴油机卡车散热器孔自动开关、汽车易损件如外壳和前后缓冲器等。

（3）能源开发:

如固体发动机、太阳能电池帆板、温室窗户自动调节弹簧、住宅暖房用温水送水管阀门、汲地下油的机器、喷气发动机内窥镜等。

（4）电子仪器:

如温度自动调节器、光纤通讯用纤维连接器、空调风向自动调节器、咖啡牛奶沸腾感知器、双金属代用开头等。

（5）医疗器械:

如人工肾脏泵、人工心脏活动门、人工关节、人工骨、避孕器具、脊椎矫正棒、脑动脉瘤手术用固定器、牙科矫形丝、医用内窥镜等。

（6）空间技术:

如卫星仪器舱门自动启闭器、人造卫星天线,即“智能天线”等。

2.形状记忆复合材料

形状记忆高分子聚合物是指具有初始形状，经行变并固定之后，可以通过加热等方法改变外部条件，使其恢复初始形状的聚合物。

日本十年前率先开发出来的,属于弹性记忆材料。

这类材料,当其温度达到相变温度时,便从玻璃态转变为橡胶态。

此刻材料的弹性模量发生大幅度变化,并伴随产生很大变形。

即:

随着温度的增加,材料变得很柔软,加工变形很容易;反之,温度下降时,材料逐渐硬化,变成持续可塑的新形状。

本材料价格低廉，可以大量用于碳纤维复合材料基的热驱动型形状记忆聚合物进行了温度与力学参数之间的关系分析研究【2】。

利用对电磁场敏感的铁氧体包复TiNi形状记忆合金可制备纤维增能型复合材料。

先在Al基材中排列TiNi形状记忆合金的长纤维，且在其形状记忆范围内进行拉拨、压延加工；然后对此复合材料进行适当热处理，使形状记忆合金产生收缩变形，利用Al基材中所产生的残留压缩应力，控制复合材料的热膨胀，使裂缝闭合，防止破裂，从而达到强韧化的目的，使材料可传感外部磁场和温度的变化，自身可变形并自动修复。

这类形状记忆复合功能元件可与金属、高分子材料及混凝土等各种复合材料组成机敏结构材料.

非金属系智能材料

非金属智能材料的初步智能性是考虑局部可吸收外力以防材料整体破坏。

近几年来，以下几类非金属系智能材料发展较快：

1.电（磁）致流变流体材料

电致流变流体（简称电流变体ERF:

Electro-rheologicalflu2ids）材料和磁致流变流体（简称磁流变体MRF:

Magneto-rheo2logicalfluids）材料都是智能系统与机构中执行器的主选材料,由于它们具有响应快速、连续可调、能耗低等优点,故其应用无疑会给许多新技术和新学科的发展带来革命性的变化。

据报导,电（磁）流变体的出现,已导致全世界50%以上的液压系统和器件需待重新设计。

电流变体与磁流变体均系用人工方法合成,并集固体的属性与液体的流动性于一体的胶体分散体。

确切地说,它们都是微米尺寸的介电颗粒均匀弥散地悬浮于另一种互不相溶的绝缘载液中时所形成的悬浮液体,而且,在外加电场或磁场作用下,胶体粒子将被极化并沿电场方向呈有序链状排列,从而使其流变特性如粘性、塑性、弹性等发生迅速而巨大的变化,或者由粘

滞性液体转变成固态凝胶,或者其流体阻力发生难以想像的变化（剧增）。

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）:

为低粘度液体,如硅油、