智能材料简介

智能材料简介智能材料简介智能材料(Intelligent material)，是一种能感知外部刺激，能够判断并适当处理且本身可执行的新型功能材料。

智能材料是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料，是现代高技术新材料发展的重要方向之一，将支撑未来高技术的发展，使传统意义下的功能材料和结构材料之间的界线逐渐消失，实现结构功能化、功能多样化。

它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。

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。

智能材料的类别（一）按材料基质的不同分类 (1)金属系智能材料主要种类：形状记忆合金、磁致伸缩材料等 (2)无机非金属系智能材料主要种类：电(磁)流变流体、压电陶瓷、光致变色和电致变色材料等光纤智能材料。

(3)高分子系智能材料主要种类刺激响应性高分子凝胶，智能高分子膜材，智能药物释放体系，智能纤维与织物等 (4)复合和杂化型智能材料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。

（二）按材料的智能特性不同分类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、光纤智能材料；7、光致变色玻璃；8、电致变色材料；下面从定义，分类，代表性材料，优缺点及应用简要介绍几种智能材料：1.形状记忆材料定义：具有一定形状的固体材料，在某一低温状态下经过塑性变形后，通过加热到这种材料固有的某一临界温度以上时，材料又恢复到初始形状的现象，称为形状记忆效应。

具有形状记忆效应的材料称为形状记忆材料。

例如，在高温时将处理成一定形状的金属急冷下来，在低温相状态下经塑性变形成另一种形状，然后加热到高温相成为稳定状态的温度时通过马氏体逆相变会恢复到低温塑性变形前的形状。

具有这种形状记忆效应的金属，通常是由2种以上的金属元素构成的合金，故称为形状记忆合金(Shape Memory Alloys ，简称SMA).分类：形状记忆效应可分为3种类型：单程形状记忆效应、双程形状记忆效应和全程形状记忆效应。

所谓单程形状记忆效应就是材料在高温下制成某种形状，在低温时将其任意变形，再加热时恢复为高温相形状，而重新冷却时却不能恢复低温相时的形状。

若加热时恢复高温相时的形状，冷却时恢复低温相形状，即通过温度升降自发可逆的反复恢复高低温相形状的现象称为双程形状记忆效应。

当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高温相形状的现象称为全程形状记忆效应。

它是一种特殊的双程形状记忆效应，只能在富Ti-Ni合金中出现。

形状记忆材料可以分为形状记忆合金、形状记忆陶瓷和形状记忆高分子材料。

形状记忆合金按照组成和相变特征可以分为三大类：Ti-Ni 系，Cu基以及Fe基形状记忆合金。

代表性材料及优缺点：1）Ti-Ni合金是目前所有形状记忆合金中研究得最全面、记忆性能最好、实用性强的合金材料，Ti—Ni合金有3种金属化合物：Ti2Ni，TiNi 和TiNi2。

优点：可记忆形变最大，性能稳定，有生物相容性，且可逆转变温度与人体体温相似；缺点：价格昂贵，制作工艺复杂；可以通过多元合金化改善。

2）铜基系形状记亿合金种类比较多，以Cu-Zn-Al及Cu-Al-Ni合金为主。

优点：价格低，记忆效应较好，加工容易；缺点：稳定性差，不具有生物相容性，可通过分级淬火改善。

3）Fe基形状记忆合金分为热弹性马氏体相变及非热弹性马氏体相变。

优点：扩展到非热弹性马氏体相变体系；缺点：价格高，应用范围不大4）形状记忆陶瓷ZrO2陶瓷，大多属于非弹性马氏体相变体系，但可记忆形变量小，寿命短，无双程记忆效应。

5）形状记忆聚合物：聚降冰片烯，聚氨酯等，与形状记忆合金相比：优点：形变量大，形状恢复应力低，形状恢复温度可调整缺点：耐疲劳性差，只有单程记忆效应。

应用：形状记忆材料作为新型功能材料在航空航天、自动控制系统、医学、能源等领域具有重要的应用。

例如用于各种管件的接头及热发动机等。

形状记忆合金应用最典型的例子是制造人造卫星天线，由Ti—Ni 合金板制成的天线能卷入卫星体内，当卫星进入轨道后，利用太阳能或其他热源加热就能在太空中展开。

美国宇航局(NASA)曾利用Ti—Ni合金加工制成半球状的月面天线，并加以形状记忆热处理，然后压成一团，用阿波罗运载火箭送上月球表面，小团天线受太阳照射加热引起形状记忆而恢复原状，即构成正常运行的半球状天线，可用于通讯。

2.压电材料定义：压电材料是受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料。

压电效应的原理是，如果对压电材料施加压力，它便会产生电位差(称之为正压电效应)，反之施加电压,则产生机械应力(称为逆压电效应)。

如果压力是一种高频震动，则产生的就是高频电流。

而高频电信号加在压电陶瓷上时，则产生高频声信号(机械震动)。

分类：分为无机压电材料和有机压电材料。

无机压电材料又分为分为压电晶体和压电陶瓷，压电晶体一般是指压电单晶体;压电陶瓷则泛指压电多晶体。

压电陶瓷是指用必要成份的原料进行混合、成型、高温烧结，由粉粒之间的固相反应和烧结过程而获得的微细晶粒无规则集合而成的多晶体。

具有压电性的陶瓷称压电陶瓷，实际上也是铁电陶瓷。

在这种陶瓷的晶粒之中存在铁电畴，铁电畴由自发极化方向反向平行的180 畴和自发极化方向互相垂直的90畴组成，这些电畴在人工极化(施加强直流电场)条件下，自发极化依外电场方向充分排列并在撤消外电场后保持剩余极化强度，因此具有宏观压电性。

如:钛酸钡BT、锆钛酸铅PZT、改性锆钛酸铅、偏铌酸铅、铌酸铅钡锂PBLN、改性钛酸铅PT 等。

代表性材料及优缺点：压电晶体：水晶(石英晶体)、镓酸锂、锗酸锂、锗酸钛以及铁晶体管铌酸锂、钽酸锂等；优点：稳定性很高，机械品质因子高；缺点：压电性弱，介电常数很低，受切型限制存在尺寸局限。

压电陶瓷：钛酸钡BT、锆钛酸铅PZT、改性锆钛酸铅、偏铌酸铅、铌酸铅钡锂PBLN、改性钛酸铅PT等；优点：压电性强、介电常数高、可以加工成任意形状；缺点：机械品质因子较低、电损耗较大、稳定性差。

有机压电材料：聚偏氟乙烯(PVDF)(薄膜)及以它为代表的其他有机压电(薄膜)材料；优点：材质柔韧，低密度，低阻抗和高压电电压常数；缺点：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。

应用：压电材料的应用领域可以粗略分为两大类:即振动能和超声振动能-电能换能器应用，包括电声换能器，水声换能器和超声换能器等，以及其它传感器和驱动器应用。

例如PbTiO3系压电陶瓷具最适合制作高频高温压电陶瓷元件，无机压电陶瓷和有机高分子树脂构成的压电复合材料，兼备无机和有机压电材料的性能，并能产生两相都没有的特性。

因此，可以根据需要，综合二相材料的优点，制作良好性能的换能器和传感器。

它的接收灵敏度很高，比普通压电陶瓷更适合于水声换能器。

在其它超声波换能器和传感器方面，压电复合材料也有较大优势。

压电材料除了以上用途外还有其它相当广泛的应用。

如鉴频器、压电震荡器、变压器、滤波器等。

3.敏感材料敏感材料，是指能将各种物理的或化学的非电参量转换成电参量的功能材料。

这类材料的共同特点是电阻率随温度、电压、湿度以及周围气体环境等的变化而变化。

用敏感材料制成的传感器具有信息感受、交换和传递的功能，可分别用于热敏、气敏、湿敏、压敏、声敏以及色敏等不同领域。

敏感材料是当前最活跃的无机功能材料，各种传感器的开发应用具有重要意义，对遥感技术、自动控制技术、化工检测、防爆、防火、防毒、防止缺氧以及家庭生活现代化等都有直接的关系。

分类及代表性材料特点应用：按材料的特性可以分为热敏，光敏，压敏，湿敏，气敏及热释电陶瓷等；热敏材料,是材料的某些性能岁温度的变化而变化的功能材料.目前可以分为两大类:热敏电阻材料和热释电材料。

热敏电阻材料是指材料的电阻值随温度的变化而变化，又可分为三种情况：（1）材料所具有的电阻值随温度的上升而增大的特性*即具有正温度系数，称为PTC热敏电阻。

典型的PTC热敏系列有BaTiO3、以BaTiO3为基的BaTiO3-SrTiO3-PbTiO3固溶体、以氧化钡和氧化溴为基的多元材料等。

其中以BaTiO3材料最具代表性，它是当前研究得最成熟实用范围员广的PTC热敏材料。

（2）材料所具有的电阻值随温度的上升而减少的特性，即具有负温度系数，称为NTC热敏电阻。

NTC热敏电阻是研究最早、生产最成熟、应用最广泛的热敏材树之一。

这类热敏材料大都是用锰、钻、镍、铁等过渡金屑氧化物按一定配比混合，采用陶瓷工艺制备而成。

如NiO中掺入微量Li2O或CaO、FeO、MnO2中掺入Li2O形成的P型半导体。

（3）材料所具有的电阻值随温度的升高而下降，当在某一温度下电阻值猛烈减小(下降达2—4个数量级)的特性，即具有临界温度特性，称为CTR热敏电阻。

属于这种材料的有氧化钒系的非线性电阻材料，这种材料是V2O5与钡、硅、磷等的氧化物混合后．在含有H2，CO2，混合气体的弱还原气氛中烧结而成。

居里点(转交点)的温度可以通过添加锗、镍、钨、锰等元累来移动。

利用这类热敏电阻可以制成固态无触点开关，广泛用于温度自动控制、过热保护、火灾报警器及致冷设备中。

因温度变化引起自发极化值变化的现象，称为热释电现象。

具有热释电现象的材料称为热释电材料。

即热释电材料是指材料两端产生的电压随温度变化而变化的一类功能材料。

其主要特点是，材料随着温度的变化会引起材料内部介质的极化。

即加热该材料，材料的两端会产生效量相等符号相反的电荷，如果将其冷却，电荷的极性与加热时恰好相反。

材料的这种性质称为热释电性。

这种热释电效应是由于材料的晶体中存在着自发极化所引起的。

自发极化与感应极化不同，它不是由外电场作用而发生的，而是由于材料本身的结构在某个方面上正、负电荷重心不重合而引起的。

当温度恒定时，电自发极化出现在表面的电荷与吸附存在于空气中相反的电荷产生电中和。

若温度发生变化，自发极化的大小产生变化，于是中性状态受到破坏，而产生电荷的不平衡。

具有热释电效应的材料有上干种，但目前能应用的仅十几种，其中纯属无机材料的有锆铁酸铅镧[（Pb，La）（Zr，Ti）O3]等，这是近年来才发展起来的透明陶瓷材料，工作温度可高达240℃。