[科普中国]-智能材料

定义

智能材料还没有统一的定义。不过，现有的智能材料的多种定义仍然是大同小异。大体来说，智能材料就是指具有感知环境(包括内环境和外环境)刺激，对之进行分析、处理、判断，并采取一定的措施进行适度响应的智能特征的材料。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。

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Intelligent material，Intelligent material and structure，Smart material，Smart material and structure，Adaptive material and structure等.。

分类作为一种新型材料，一般认为，智能材料由传感器或敏感元件等与传统材料结合而成。这种材料可以自我发现故障，自我修复，并根据实际情况作出优化反应，发挥控制功能。 智能材料可分为两大类：

（1）嵌入式智能材料，又称智能材料结构或智能材料系统。在基体材料中，嵌入具有传感、动作和处理功能的三种原始材料。传感元件采集和检测外界环境给予的信息，控制处理器指挥和激励驱动元件，执行相应的动作。

（2）有些材料微观结构本身就具有智能功能，能够随着环境和时间的变化改变自己的性能，如自滤玻璃、受辐射时性能自衰减的Inp半导体等。

这只是一种比较笼统的分类方法，由于智能材料还在不断的研究和开发之中，因此相继又出现了许多具有智能结构的新型的智能材料。如，英国宇航公司在导线传感器，用于测试飞机蒙皮上的应变与温度情况；英国开发出一种快速反应形状记忆合金，寿命期具有百万次循环，且输出功率高，以它作制动器时、反应时间，仅为10分钟；在压电材料、磁致伸缩材料、导电高分子材料、电流变液和磁流变液等智能材料驱动组件材料在航空上的应用取得大量创新成果。

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。

实际成果在建筑方面，科学家正集中力量研制使桥梁、高大的建筑设施以及地下管道等能自诊其“健康”状况，并能自行“医治疾病”的材料。英国科学家已开发出了两种“自愈合”纤维。这两种纤维能分别感知混凝土中的裂纹和钢筋的腐蚀，并能自动粘合混凝土的裂纹或阻止钢筋的腐蚀。粘合裂纹的纤维是用玻璃丝和聚丙烯制成的多孔状中空纤维，将其掺入混凝土中后，在混凝土过度挠曲时，它会被撕裂，从而释放出一些化学物质，来充填和粘合混凝土中的裂缝。防腐蚀纤维则被包在钢筋周围。当钢筋周围的酸度达到一定值时，纤维的涂层就会溶解，从纤维中释放出能阻止混凝土中的钢筋被腐蚀的物质。

在飞机制造方面，科学家正在研制具有如下功能的智能材料：当飞机在飞行中遇到涡流或猛烈的逆风时，机翼中的智能材料能迅速变形，并带动机翼改变形状，从而消除涡流或逆风的影响，使飞机仍能平稳地飞行。可进行损伤评估和寿命预测的飞机自诊断监测系统。该系统可自行判断突然的结构损伤和累积损伤，根据飞行经历和损伤数据预计飞机结构的寿命，从而在保证安全的情况下，大大减少停飞检修次数和常规维护费用，使商业飞机能获得可观的经济效益。此外，还有人设想用智能材料制成涂料，涂在机身和机翼上，当机身或机翼内出现应力时，涂料会改变颜色，以此警告。

在医疗方面，智能材料和结构可用来制造无需马达控制并有触觉响应的假肢。这些假肢可模仿人体肌肉的平滑运动，利用其可控的形状回复作用力，灵巧地抓起易碎物体，如盛满水的纸杯等。药物自动投放系统也是智能材料一显身手的领地。日本推出了一种能根据血液中的葡萄糖浓度而扩张和收缩的聚合物。葡萄糖浓度低时，聚合物条带会缩成小球，葡萄糖浓度高时，小球会伸展成带。借助于这一特性，这种聚合物可制成人造胰细胞。将用这种聚合物包封的胰岛素小球，注入糖尿病患者的血液中，小球就可以模拟胰细胞工作。血液中的血糖浓度高时，小球释放出胰岛素，血糖浓度低时，胰岛素被密封。这样，病人血糖浓度就会始终保持在正常的水平上。

军事方面，在航空航天器蒙皮中植入能探测激光、核辐射等多种传感器的智能蒙皮，可用于对敌方威胁进行监视和预警。美国正在为未来的弹道导弹监视和预警卫星研究在复合材料蒙皮中植入核爆光纤传感器、X射线光纤探测器等多种智能蒙皮。这种智能蒙皮将安装在天基防御系统平台表面，对敌方威胁进行实时监视和预警，提高武器平台抵御破坏的能力。智能材料还能降低军用系统噪声。美国军方发明出一种可涂在潜艇上的智能材料，它可使潜艇噪声降低60分贝，并使潜艇探测目标的时间缩短100倍。

除上述几个方面外，智能材料的再一个重要进展标志就是形状记忆合金，或称记忆合金。这种合金在一定温度下成形后，能记住自己的形状。当温度降到一定值（相变温度）以下时，它的形状会发生变化；当温度再升高到相变温度以上时，它又会自动恢复原来的形状。记忆合金的基础研究和应用研究已比较成熟。一些国家用记忆合金制成了卫星用自展天线。在稍高的温度下焊接成一定形状后，在室温下将其折叠，装在卫星上发射。卫星上天后，由于受到强的日光照射，温度会升高，天线自动展开。除此之外，还有人用记忆合金制成了窗户自动开闭器。当温度升至一定程度后窗户自动打开，温度下降时自动关闭。用记忆合金作支撑架的乳罩也很有特色，乳罩在水中可以任意揉搓清洗，但当它被戴到身上时会自动保持自己的形状，并能根据穿着者体形的变化在一定范围内变化。

研究方向智能材料是一种集材料与结构、智然处理、执行系统、控制系统和传感系统于一体的复杂的材料体系。它的设计与合成几乎横跨所有的高技术学科领域。构成智能材料的基本材料组元有压电材料、形状记忆材料、光导纤维、电（磁）流变液、磁致伸缩材料和智能高分子材料等。智能材料的出现将使人类文明进入一个新的高度，但距离实用阶段还有一定的距离。今后的研究重点包括以下六个方面：

（1） 智能材料概念设计的仿生学理论研究

（2） 材料智然内禀特性及智商评价体系的研究

（3）耗散结构理论应用于智能材料的研究

（4） 机敏材料的复合-集成原理及设计理论

（5） 智能结构集成的非线性理论

（6） 仿人智能控制理论

出现时间智能材料的构想来源于仿生（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。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。

材料特征因为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。

常见1．压电材料

压电材料是一种能够实现电能与机械能相互转化的机敏材料，压电材料主要包括无机压电材料、有机压电材料和压电复合材料 3类。居里兄弟在对石英晶体的介电现象和晶体对称性的试验研究中发现了压电效应，压电效应分为正压电效应和逆压电效应 2种情况。当机械力作用在其上时，内部正负电荷中心发生相对位移而产生电的极化，就是正压电效应

2．形状记忆合金

形状记忆合金是自执行智能材料的一种。20世纪 60年代美国海军军械研究所的Buehler在研究中发现了镍钛（Ni -Ti）合金具有“形状记忆效应”，并以此为基础研究了形状记忆合金。利用这一特性可以制成理想驱动器，因其被加热至奥氏体温度时，可自行恢复到原形状。其通常以细丝状态用于智能结构，主要适合于低能量要求的低频和高撞击应用。目前形状记忆材料已经形成了相对较大的一个门类，主要分为 ：形状记忆合金、形状记忆陶瓷、形状记忆聚合物。

3．电流变液

电流变液也是自执行智能材料的一种，是与磁流变体性能极为相似的混合物。这种材料在常态下是流体，其中自由分布着许多细小可极化悬浮颗粒，当这种流体处于电场或磁场中，在电场或磁场的作用下，其中的悬浮颗粒很快形成链状，从而形成具有一定屈服强度的半固体，这样的电流变体或磁流变体具有响应快、阻尼大、功耗小的特点1。