智能材料及其应用进展

智能材料及其应用进展姓名：吴柏君学号：201307231班级：应化1301班专业：化学与生物工程学院兰州交通大学2015年10月20日摘要:概述了智能材料的内涵;介绍了智能材料的设计思想来源,材料组元的选择和复合形式以及其中的几条复合途径;综述了压电陶瓷复合材料和压电聚合物、形状记忆合金和形状记忆高分子聚合物、光纤材料和电流变体等几类智能材料的研究情况和应用概况;最后,指出了智能材料的研究价值和广阔的应用前景。关键词:智能材料;压电陶瓷;形状记忆合金;光纤材料;电流变体中图分类号:TB381文献标识码:A材料是人类生活和生产的基础,一般将其划分为结构材料和功能材料两大类。对结构材料主要要求的是其机械强度;而对功能材料则侧重于其特有的功能。智能材料不同与传统的结构材料和功能材料,它模糊了两者之间的界限,并加上了信息科学的内容,实现了结构功能化,功能智能化。由智能材料组成的智能结构具备传感、驱动和控制三个基本要素,能通过自身的感知,做出判断,发出指令,并执行和完成动作,实现自检测、自诊断、自监控、自校正、自修复及自适应等多种功能[1～5]。当前,科学技术的发展对材料性能的要求越来越高。本文将对智能材料的设计原理和其中几类智能材料的发展状况及其应用情况作概括介绍。1智能材料设计原理智能材料的设计思想来自于下列因素:(1)材料的开发历史,结构材料※功能材料※智能材料;(2)人工智能计算机对材料性能的新要求;(3)从材料设计的角度考虑智能材料的制造;(4)软件功能引入材料;(5)对材料的期望;(6)能量的传递;(7)材料具有时间轴的观点,即仿照生物体的功能[6]。随着信息科学的迅速发展,自动装置不仅用于机器人和计算机等人工机械,更可用于能条件反射的生物机械。此自动装置能依据过去的输入信号(信息)产生输出信号(信息)。过去输入的信息则作为内部状态存储于系统内。因此,自动装置由输入、内部状态、输出三部分组成。智能材料与自动装置的概念相似,可控制材料内部状态系数、状态转变系数和输出系数的变化来实现材料的智能化。对于陶瓷,就是涉及材料组成、结构与功能性的关系。陶瓷一般是微小晶粒的多晶聚集体,可添加微量的第二组分控制其特性。该第二组分的本体和微晶界的性能均影响材料特性。为使陶瓷具有高功能进而达到智能化,应使材料处于非平衡态、拟平衡态和亚稳定状态。用现有材料组合,并引入多重功能,特别是软件功能,可以得到智能材料。由于智能材料具有传感、处理和执行功能,其研制即是将此类软件功能(信息)引入材料,将多种软件功能寓于几纳米到数十纳米厚的不同层次结构,使材料智能化。此时材料的性能不仅与其组成、结构、形态有关,同时也是环境的函数[6]。智能材料组元的选择有敏感材料和功能材料两大类。敏感材料包括压电材料、磁致伸缩材料、形状记忆材料、电(磁)致粘流体、液晶材料、PH控伸缩材料等;功能材料包括磁性材料、超导材料、导电材料、半导体材料等。材料复合的形式可分为嵌入式和积层式两大类。嵌入的材料包括颗粒、短纤维材料等,而积层式则指功能、敏感以及结构材料的多层复合。材料智能化的几条典型途径:压电材料+电热材料※压热材料(阻尼材料);压电材料+电致变色材料※压致变色材料(示警材料);光电材料+电致变色材料※光致变色材料(智能玻璃);PH致伸缩材料+压电材料※PH致电材料(生体材料)[7]。2智能材料发展现状随着太空通讯、观测等要求的提高,航天飞行器的重量越来越大。为减轻重量,降低发射成本,必须采用新的材料设计方法。自1985年起,美国政府提出了开展智能材料的研究计划,要求航天飞行器具有自适应性能。1987年,此项目列入美国空军科研项目[8]。1990年,四大学会(ADAA、AIAA、ASME、SPIE)联合举办了主动材料和自适应材料技术交流会。同年,美国举行了美日联合第一届自适应结构学术交流会。近年来,国际上关于智能材料的研究和学术活动十分活跃;我国对这一新兴学科的研究也十分重视,国家自然科学基金、航空基金等从1993年起每年都将智能材料列入研究计划项目,此后的资助强度不断加大。国内已有一批研究单位在该领域的研究达到国际先进水平。2.1压电智能材料压电效应是指在材料上施加机械力应力时,材料的某些表面会产生电荷,这种现象被称为正压电效应;与此相对应,如对材料的某些表面施加电场,则材料会产生几何变形,此现象被称为逆压电效应[9]。压电智能材料包括压电陶瓷、压电聚合物和压电复合材料等。压电陶瓷的优点是可通过调节组分改变材料的性能,而且其耐热,耐湿和化学稳定性好等。目前应用最广泛的压电陶瓷有钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅(PZT)和锆钛酸铅镧(PLZT)。其中PZT具有较高的居里温度、高介电常数、高机电耦合系数,其研究和应用一直十分活跃。国内外对压电陶瓷及其复合智能材料的应用研究主要集中在两个方面:结构的声和振动主动控制与结构形状的自适应控制[10]。1991年,弗吉尼亚工学院研制出了压电陶瓷结构声主动控制系统(ASAC)。美国某公司利用ASAC装置,采用声误差传感,把110dB声源的声强降低了29dB,声强和声功率降低了7～8.5dB。美国宾州大学利用含有压电层的主动声控系统使5～11kHz频率的回声降低了35dB。目前,ASAC装置中的压电驱动器在美国已经商品化。压电陶瓷既具有传感功能又易于改性,并易于与其它材料兼容,因此可以和其它材料复合制成自适应结构。1991年,美国使用压电技术建立了谐振控制系统,并应用这一系统设计了直径为6英尺的无轴承的智能旋翼。1993年,美国研制了含有主动控制的压电复合材料结构。压电聚合物智能材料,如聚氟乙烯(PVDFP或VDF2),突出的优点是具有低的声阻抗和介电常数,柔软性好,耐击穿。美国Florida大学制成了压电聚合物传感器,用以识别盲文书信和不同级别的砂纸,具有接近100%的准确性,在勘探和目标识别中大有前途。美国Pisa大学制成了压电皮肤传感器,对环境温度和压力具有敏感性[11]。目前,压电材料已成功应用于各种光跟踪系统、自适应光学系统、机器人位移定位器、磁头、喷墨打印机和扬声器等高科技领域。国内对压电材料的研究基本上还处于初步研究阶段。2.2形状记忆智能材料在高温下处理成一定形状的金属急冷下来,在低温状态下经塑性变形为另一种形状,当再加热至高温稳定状态时,材料通过马氏体相变恢复到低温塑性变形前的形状,这就是形状记忆效应[2]。著名的形状记忆合金有镍钛合金、InTl、CuAl、NiAl、AgZn和AgCd等。形状记忆合金最初用于拉曼F14战斗机中液压管接头密封,防止高压液泄露。形状记忆合金还可以作飞机的模型的扭力管。该扭力管可以用来控制机翼结构的气动外形。形状记忆合金冷却时呈橡皮状,加热时很像不锈钢。工作时,机翼结构受扭力管产生的扭转力作用,当扭力管冷却时,机翼产生负扭转。采用形状记忆材料制作的机翼,通过形状改变,可显著降低阻力和跨音速激波,提高油效[12]。美国已用形状记忆合金作为致动器的树脂基复合材料夹心结构的“柔性机翼”;该机翼可在各种飞行速度下始终自动保持最佳翼型,大幅度提高飞行效率,并可对出现的危险振动自行抑制[10]。形状记忆合金随温度变化而改变其弹性模量,可以作为力学执行器和刚性执行器,控制运动和形状。日本人制成了一种形状记忆合金,通过对合金加热收缩来防止裂纹的扩展,用于防止地震等造成的桥梁或大型建筑物的建筑、土木结构的突发性破坏[8]。美国人在建筑物的合成梁中埋植形状记忆合金纤维,在热电控制下,能像人的肌肉纤维一样产生形状和张力的变化,从而根据建筑物受到的振动改变梁固有刚性和固有振动频率,减小振幅,使框架结构的寿命大大延长[4]。形状记忆合金在自动探测和主动控制等方面,也取得了很大的进展,其中包括:(1)振动和噪声的主动控制及隔振。其中北航主持的“智能主动变刚度支撑控制发动机振动”的研究已经取得了阶段性98济南大学学报(自然科学版)第16卷的成果,其技术关键是采用了形状记忆合金智能弹性支撑系统。该技术的减振幅度将有可能达到所有减振技术中的最大值。(2)裂纹的主动探测和控制。在关键构件的易于出现裂纹的部位沿多个方向铺设一些形状记忆合金丝,利用其电阻率对应变敏感、不加热可以产生巨大恢复力等特点,可以实现主动探测裂纹和控制裂纹发展,从而保证构件工作的安全可靠性。另一类形状记忆材料是日本开发的形状记忆高分子聚合物,即弹性记忆材料。当温度达到特征转变温度时,材料从玻璃态转化为橡胶态,相应地,弹性模量有一大的变化,出现大的形变;随着温度增加,材料变得柔顺,因而容易变形;温度下降时,硬化为持续可塑的新形状[11]。2.3光纤智能材料早在1991年美国就提出智能构件“健康”监控系统(SHMS),其中的传感材料就是光纤。人们最初关心的是光纤维材料的埋入,是否会引起材料层间断裂韧性的下降或基体材料的损伤。后来的实验表明,对环氧复合材料埋入光纤,并没有降低拉伸强度和压缩强度,也没有引起层间断裂韧性的降低。目前,人们使用光纤已制作成各种埋入式复合材料传感器,其作用有(1)监测复合材料加工制造过程,随时报告加工过程中出现的缺陷;(2)监测飞行器结构所处的状态,随时报告疲劳和温度等情况;(3)利用光纤传感器和神经网络处理器对结构进行在线综合评估。已试用的光纤传感器有(1)微弯光纤时域反射分布应变传感器;(2)动态偏振光纤应变传感器;(3)干涉应变传感器;(4)BraggGtrating分布传感器。与这些传感器相结合,发展了诸如光纤反射放大成像技术、光纤应变接线盒等。加拿大多伦多大学和波音公司建立了世界上首架含有光纤的机翼前缘损伤评估系统原型。冲击过载实验表明,埋入光纤进行损伤评估是可行的,并解决了埋入光纤的处理和铺层分布、多传感器的结构和多路传输、传感器信号的再生和结构间连接等问题。1994年,在德国的Calgary市建成了第一座由预应力碳纤维复合材料和钢筋结构组成的桥,在碳纤维中加入光纤布拉格光栅应变传感器,检测碳纤维预应力的损失情况。1995年,Fuhr,Huston等人在桥梁结构的钢筋上安装了光纤腐蚀传感器,分别探测钢筋的腐蚀情况。我国有关单位也在光纤维传感方面作了很多研究工作。如利用光纤对三峡大坝建立“健康”状态监测系统,研究光纤处理及信号复制等问题,但关于SHMS的整体研究还非常薄弱。此外,人们还应用光纤使飞行器隐形。其原理是将光纤埋入结构材料中,光纤端面位于材料表面,其中一部分为发光光纤,另一部分为接受光纤,发光光纤发射出不在红外探测器探测范围的光波,在远离材料的表面形成一道光波墙,达到隐形的目的。而接受光纤主要用来接受制导激光信号,便于及时采取干扰措施[8]。2.4电流变体智能材料电流变体[11]是由微米尺寸颗粒悬浮于绝缘体中形成的悬浮液。在外电场作用下,电流变体可以在液态和固态之间作快速、可逆、可控的变化。即在外电场作用下,电流变体在极短的时间内其表观粘度增加几个数量级,从流动的液体变成凝胶状的固体;电场撤去后,又可以瞬间恢复流动状态。电流变体的主要特点是响应速度快,缺点在于转变电压太高,性能易受外界影响。电流变体材料要求有良好的颗粒/载液组合以及长期稳定性和使用重复性。它一般由分散相、分散介质和添加剂组成。分散相多为直径在微米级的多孔疏松颗粒,可以是无机物(如硅酸铝、二氧化硅等)或有机物(聚甲基丙烯酸盐、酚醛树脂、羧甲基纤维素等);可以是单相颗粒;也可以是复相颗粒(如包有聚合物壳的导电颗粒等)。分散介质为导电性较差的液体,如硅油、矿物油、卤代烃等。加入到电流变体中的添加剂主要有两类:稳定剂和活化剂。稳定剂通常为表面活性剂或高分子化合物。活性剂主要是一些极性物质(如水、乙醇、乙二醇等)或离子型化合物(如KCl、NaNO2、NaCl等),加入后可明显提高电流变体的电流变效应。目前,电流变体在基础理论、材料研究及工程应用方面已取得一定的发展。美国波音公司应用电流变阀门进行飞机自动喷漆,得到大面积彩色图案。电流变体还可用于无级可调、容易控制、响应速度高的离合器。近来美国能源部对电流变体进行了评估,肯定了这种材料在自动设备、通用机械、