浅谈智能材料

浅谈智能材料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。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Intelligentmaterial、Intelligentmaterialandstructure、Smartmaterial、Smartmaterialandstructure、Adaptivematerialandstructure等。为增加感性认识，现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。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。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。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。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；高分子系智能材料的范围很广泛，作为智能材料的刺激响应性高分子凝胶的研究和开发非常活跃，其次还有智能高分子膜材、智能高分子粘合剂、智能型药物释放体系和智能高分子基复合材料等。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）。形状记忆合金可以分为三种：（1）单程记忆效应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。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。在理论研究不断深入的同时，形状记忆合金的应用研究也取得了长足进步，其应用范围涉及机械、电子、化工、宇航、能源和医疗等许多领域。形状记忆合金的具体应用如下。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、避孕器、心脏修补元件、人造肾脏用微型泵等。高科技应用展望：20世纪是机电学的时代。传感——集成电路——驱动是最典型的机械电子控制系统，但复杂而庞大。形状记忆材料兼有传感和驱动的双重功能，可以实现控制系统的微型化和智能化，如全息机器人、毫米级超微型机械手等。21世纪将成为材料电子学的时代。形状记忆合金的机器人的动作除温度外不受任何环境条件的影响，可望在反应堆、加速器、太空实验室等高技术领域大显身手。磁致伸缩材料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。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；东北大学和大连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。压电材料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