智能材料结课论文

高分子智能材料摘要：从合成、加工、新产品开发及其应用诸方面综述了智能高分子材料，如智能高分子凝胶、形状记忆高分子材料、智能织物、智能高分子膜和智能高分子复合材料等的研究进展，展望了其发展前景，并阐述了智能高分子材料的潜在应用领域。

关键词：高分子材料；智能材料；智能化一引言材料的发展经历着结构材料→功能材料→智能材料→模糊材料的过程[1]。

智能化是指材料的作用和功能可随外界条件的变化而有意识地调节、修饰和修复[2]。

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。

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。

早在1970年代，田中丰一就发现了智能高分子现象，即当冷却聚丙烯酰胺凝胶时，此凝胶由透明逐渐变得浑浊，最终呈不透明状，加热时，它又转为透明[3]。

1980年代，出现了用来制造高分子传感器、分离膜、人工器官的智能高分子材料。

1990年代，智能高分子材料进入了高速发展阶段。

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。

二高分子智能材料研究应用2.1 智能高分子凝胶2.1.1 高分子凝胶及智能凝胶高分子在凝胶上的应用是智能高分子的又一智能表现。

生物体的大部分是由柔软而又含有水的物质——凝胶组成的。

简言之，凝胶是液体和高分子网络所构成，由于液体和高分子网络的柔和性, 液体被高分子网络封闭，失去流动性。

正如生物体一样，用凝胶材料构成的仿生系统也能感知周围环境的变化，并做出响应，因此，该领域的探索引起了人们的高度重视。

凝胶按不同的分类方法有以下几种分法：按来源分为天然凝胶和合成凝胶；按高分子网络所含液体分为水凝胶和有机凝胶；按高分子的交联方式分为化学凝胶和物理凝胶。

在这些凝胶中水凝胶是最常用的一种。

凝胶按不同的分类方法有以下几种分法: 按来源分为天然凝胶和合成凝胶；按高分子网络所含液体分为水凝胶和有机凝胶；按高分子的交联方式分为化学凝胶和物理凝胶。

在这些凝胶中水凝胶是最常用的一种。

所谓的智能凝胶是指在外界的条件刺激下，如pH 值、温度、光、电场、离子强度、溶剂组成等外界条件的刺激下，发生膨胀与收缩，这种膨胀有时能达到几十倍乃至几百倍、几千倍, 这就是智能凝胶, 既高分子凝胶。

它是三维高分子网络与溶剂组成的体系[5]。

这类高分子凝胶可随环境条件的变化而产生可逆的、非连续性的体积变化。

高分子凝胶的溶胀收缩循环使之可应用于化学阀、吸附分离、传感器和记忆材料等领域；循环提供的动力可用来设计“化学发动机”；网孔的可控性适用于智能药物释放体系[6] 。

高分子凝胶的刺激响应性包括物理刺激（如热、光、电场、磁场、力场、电子线和X射线）响应性和化学刺激（如pH值、化学物质和生物物质）响应性[7]。

随着智能高分子材料的深入研究，发展具有多重响应功能的“杂交型”智能高分子材料已成为这一领域的重要发展方向。

例如，刘锋等合成的羧基含量不同的pH值敏感及温度敏感水凝胶聚（N-异丙基丙烯酰胺-丙烯酸）及含有聚二甲基硅氧烷的聚（N-异丙基丙烯酰胺-丙烯酸），可使吸附在水凝胶中的木瓜酶随着生物体内环境的变化而自行完成药物的控制释放。

紫外线辐射法合成的甲基丙酰胺-N，N-二甲氨基乙酯水凝胶具有较好的透明性和适当的弹性，在40℃和pH值为3时亦有明显的温度和pH, 值敏感性；将叶绿酸共聚到聚（N-异丙基丙烯酰胺）中，可得到具有光敏和温敏双重功能的水凝胶。

2.1.2 智能凝胶的应用前景[9]利用凝胶在外界的刺激而发生的变化，可以制造出一系列的化学能z y机械能的转变系统。

例如人造肌肉模型、化学阀、药物释放系统等。

人工爬虫实现了凝胶材料象动物一样的动作，电解质凝胶在带相反电荷的表面活性剂中。

因为形成不容于水的复合物，导致凝胶的体积收缩。

没有电场时，凝胶与表面活性剂的相互作用是等方向性的，因此，整个凝胶作均一收缩。

然而，在电场下，带正电荷的表面活性剂分子向阴极运动，途中遇到带负电荷的凝胶后被吸附在它的表面，中和凝胶的负离子，从而使面向阴极的凝胶表面收缩。

吸附在面向阴极的凝胶表面的表面活性剂分子，则在电场下脱离凝胶而向阴极运动，使得这个凝胶表面产生膨胀。

凝胶的膨胀和收缩由于上下不对称，从而产生弯曲。

当变换电场方向时，原来被吸附在表面的表面活性剂分子脱离凝胶，在相反方向的表面上吸附，因此，凝胶向相反方向弯曲。

2.2 形状记忆高分子材料形状记忆高分子材料是利用结晶或半结晶高分子材料经过辐射交联或化学交联后具有记忆效应的原理而制造的一类新型智能高分子材料。

形状记忆过程可简单表述为：初始形状的制品—二次形变—形变固定—形变回复。

其性能的优劣，可用形状回复率、形变量等指标来评价。

在医疗领域，形态记忆树脂可代替传统的石膏绷扎，具有生物降解性的形状记忆高分子材料可用作医用组合缝合器材、止血钳等。

在航空领域，形状记忆高分子材料被用作机翼的振动控制材料。

利用高分子材料的形状记忆智能可制备出热收缩管和热收缩膜等。

近几年来，我国已先后开发出石油化工、通信光缆等领域的热收缩制品及天然气、市政工程供水及其他管道接头焊口和弯头的密封与防腐的辐射交联聚乙烯热收缩片。

聚全氟乙丙烯树脂热收缩管是一种新型的热收缩材料，具有较强的机械强度，能长期在-260~-205℃下使用，并保持原有聚全氟乙丙烯树脂优异的电气性、耐化学腐蚀性[10]。

以对苯二甲酸二甲酯、间苯二甲酸、乙二醇为原料，采用间歇聚合法可合成热收缩膜用共聚酯切片，采用双向拉伸工艺制得的新型包装膜——热收缩性双轴拉伸共聚酯膜，可用作精密电子元件及电缆包覆材料。

目前，形状记忆聚氨酯、聚降冰片烯、聚苯乙烯的研究开发有着诱人的发展前景。

2.3 智能织物2.3.1 智能纤维织物系统智能纤维织物是指具备传感、控制和驱动3个基本要素，能通过自身的感知进行信息处理，发出指令，并执行完成动作，从而实现自身的检测、诊断、监控、校正、修复和适应等多种功能。

Dagani将聚乙二醇与各种纤维（如棉、聚酯或聚酰胺/聚氨酯）共混物结合，使其具有热适应性与可逆收缩性。

所谓热适应性是赋予材料热记忆特性，温度升高时纤维吸热，温度降低时纤维放热，此热记忆特性源于结合在纤维上的相邻多元醇螺旋结构间的氢键相互用。

温度升高时，氢键解离，系统趋于无序状态，线团弛豫过程吸热。

当环境温度降低时，氢键使系统变为有序状态，线团被压缩而放热。

这种热适应织物可用于服装和保温系统，包括体温调节和烧伤治疗的生物医学制品及农作物防冻系统等领域。

此类织物的另一功能是可逆收缩，即湿时收缩，干时恢复至原始尺寸，湿态收缩率达到35%，可用于传感/执行系统、微型发动机及生物医用压力与压缩装置，如压力绷带，它在血液中收缩，在伤口上所产生的压力有止血作用，绷带干燥时压力消除。

各种功能纤维材料可以组合成智能织物，而纳米科技的兴起、纳米材料的出现又为显著地改善服装面料的功能起到了积极的促进作用。

纳米材料技术与信息技术、生物技术、新能源技术的组合, 使得新材料在实现由结构型向功能型、智能型的根本性转变上成为可能。

微泵和微管能将冷却剂或受热介质输送到服装的所需部分。

已经开发研制成功的、只允许特定分子的半渗透膜中，可使织物一面干燥、另一面湿润。

灵敏而程序可控面料的设计开发思路，是将缩小的多孔单元通过“螺丝”而连结成面料。

装有微型电力马达的计算机控制这些微孔，调节与“螺丝”间的相对间隙。

通过选择“螺丝”的松紧，就可以改变它的形状，以符合使用者的要求。

松散的键合单元与刚性骨架的相联，柔软的织物就可变得刚硬，如太空服、游泳服都可以像人体皮肤一样活动自如，通过嵌入的计算机与应变仪相结合，能够感应出穿衣者想做的运动，从而对面料作出相应的调整。

外层的反射系数可以改变太阳能的热量，并送至冷的部分；当没有外来的太阳能源，温度低到一定界限时，蓄能材料能够自动结晶放热。

自动清洁织物：特别的功能表面不易被运行，同时类似于螨虫的智能化设备还可定期地清洁织物表面，用蛋白输送器将织物传至收集器，或用分子选择膜将水送至另一侧进行清洁冲洗。

自动修补的服装: 检测器通过信号消失记录应变过载，查出材料中的不连续性，然后将智能化操作机器人送至需修补的地方。

自动成形织物能在撕破处回复原来的形状，直至完成修补的影响。

无菌纤维、抗菌织物、自洁消毒桌布等制作都是先将无机抗菌材料用分子组装法制成纳米级功能纤维，再由纳米机器人进行复制生产。

应用高新技术，可以阻挡紫外线辐射，使人体皮肤免受伤害，并使人在酷热的环境下仍有清凉的感觉。

皮芯结构的细旦纤维，导汗透气，保持皮肤干爽。

填加蛋白石、电气石等超细粒子, 可使纳米织物具有生物活性功能, 促进血液循环，改善微循环。

2.3.2 智能纤维材料的展望智能材料的涵义十分广泛，涉及到的材料有金属、无机、有机及各种复合材料，结构层次从宏观到微观，特别是纳米组装材料，或直接到制出纳米级纤维、纳米管、纳米线等, 都为智能织物提供了物质基础和实现的条件。

自1990 年以来，国际上已召开了几十次有关智能材料的专题学术研讨会，创办了专业期刊，还出版了智能材料专著, 国内也有这方面的学术专著和教科书出版。

目前的研究，主要还集中在智能生物材料、关键工程结构材料的智能化、多功能材料智能化等3个方面。

中国学者龚剑萍在高分子凝胶方面有突出贡献而获得了“Wiley高分子科学研究2001年物理学奖”。

另一位学者也是在超分子液晶、超分子聚合物的创制，超分子液晶高分子的动态构造控制和功能化，具有阶层构造功能性材料的构筑，液晶凝胶的创制方面有卓越贡献而获得“Wiley 高分子科学2001年化学奖”。

有关组委会将2000年诺贝尔化学奖授予导电聚合物，说明21世纪已进入智能材料时代，各种功能纤维智能织物必将逐步取代传统的服装面料，未来属于智能材料世界。