智能材料研究进展及应用

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目录

0 引言 (2)

1 智能材料结构的研究现状 (3)

1.1 智能传感技术 (3)

1.2智能驱动技术 (4)

1.3智能控制技术 (6)

1.4智能信息处理与传输 (6)

2 常用制备方法 (8)

2. 1 物理气相沉积法 (8)

2. 2 喷涂法 (8)

2. 3烧结法 (8)

2. 4 注射成型法 (8)

2.5创构智能材料的物理新技术 (8)

3智能材料的应用领域 (9)

3.1军事领域中的应用 (9)

3.2医学领域中的应用 (11)

3.3建筑领域的应用 (13)

3.4智能服装和纺织品领域的应用 (13)

3.5 未来热点应用 (14)

3 结束语 (15)

参考文献 (15)

智能材料研究进展及应用

侯博

材料与化工学院材料科学与工程

摘要：智能材料是广受瞩目的新兴材料科学门类,经过几十年的发展，已日趋成熟,必将逐渐深入到人类生活之中，且越来越多地影响乃至大范围地改变人们的生活方式。本文介绍了智能材料的基本构成和分类，对对智能材料结构的研究现状进行了阐述，并简单介绍了一些常用的制备方法，概述了其应用，探讨了其研究价值和广阔的发展应用前景。

关键词：智能材料智能传感技术智能驱动技术智能控制技术智能信息处理与传输

0 引言

材料是人类一切生产和生活水平提高的物质基础，是人类进步的里程碑。随着科技的发展，特别是20世纪80年代以来，现代航天、航空、电子、机械等高技术领域取得了飞速的发展，人们对所使用的材料提出了越来越高的要求，传统的结构材料或功能材料已不能满足这些技术的要求，材料科学的发展由传统单一的仅具有承载能力的结构材料或功能材料，向多功能化、智能化的结构材料发展。20世纪80年代末期，受到自然界生物具备的某些能力的启发，美国和日本科学家首先将智能概念引入材料和结构领域，提出了智能材料结构的新概念。

智能材料结构又称机敏结构(Smart/Intelligent Materials and Structures)，泛指将传感元件、驱动元件以及有关的信号处理和控制电路集成在材料结构中，通过机、热、光、化、电、磁等激励和控制，不仅具有承受载荷的能力，而且具有识别、分析、处理及控制等多种功能，能进行自诊断、自适应、自学习、自修复的材料结构。智能材料结构是一门交叉的前沿学科，所涉及的专业领域非常广泛，如:力学、材料科学、物理学、生物学、电子学、控制科学、计算机科学与技术等，目前各国都有一大批各学科的专家和学者正积极致力于发展这一学科[1]。当

前，科学技术的发展对材料性能的要求越来越高，材料智能化的概念已极大地影响着人们在材料设计、制造和应用过程中的思维方式，光导纤维传感技术、微电子学技术、自组装材料制备技术以及其他相关技术的发展又给智能材料与结构的研究提供了新的研究手段、打开了更大的想象空间。目前国际上有关智能材料与结构的研究非常活跃，每年都要召开与之相关的学术会议，新设想、新成果不断出现[2]。

1智能材料结构的研究现状

1.1 智能传感技术

传感技术是实现智能结构实时、在线和动态监测的基础。而其中用于感受周围环境变化以实现传感的一类功能元件叫传感元件，它相当于人的神经系统。通过埋入(或粘贴)于主体材料内部(或表面)的传感元件能够有效地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、化学和核辐射等的强度及其变化，并将其转换成另一种物理量(如:电、光)，它是结构实现智能化的基础元件之一。

目前研究和采用的主要传感元件有:光导纤维、压电元件、电阻应变元件、疲劳寿命丝、半导体元件等。

（1）光导纤维

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。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[2]。

（2）压电元件

在智能结构中，常用于声发射信号、应力波和压力测量的压电材料可分为两类:压电陶瓷和压电聚合物。压电材料的特点是有较宽的频响范围、控制精度高、可以加工成多种形式的传感器，易于小型化和集成化，可用作传感元件和驱动元件。压电材料的最新成果包括细晶粒聚合物陶瓷、大应变量(1.7%)单晶压电材料、压电纤维和压电复合材料等，它们的共同优点是具有较大的驱动应变和很强的可设计性[1]。

（3）半导体元件

微小的半导体传感元件是未来智能结构中的主要传感元件，它能够制成与基体材料融为一体的半导体模块、薄片，用于测量温度、压力、辐射、加速度等，具有用途广、尺寸小、易集成和成本低等优势，目前的主要问题是使用温度的限制。不同的传感元件具有不同的传感特性，因此，需要对相关传感元件的力学—光学—电学等耦合效应进行深入的分析，探索新型组合式传感元件的新原理;研究新型光纤、激光、压电传感原理与技术;研究高性能、多用途表面声波传感器;研究分布式及准分布式传感、传感器网络及多传感器复用原理与方法;建立应变/温度复合传感原理与技术;研究新型加速度、速度、位移、变形、裂纹、损伤传感器技术;研究传感器数量与位置优化设计，以及在不同环境下传感元件和网络功能效应的模拟与仿真，以达到优化传感元件和传感网络综合性能的目的。

1.2智能驱动技术

驱动技术(包括驱动元件、激励和控制方式等)是智能结构实现形状或力学性能自适应变化的核心问题，也是困扰结构自适应的一个“瓶颈”。其中，驱动元件是使结构自身适应其环境的一类功能元件，它的作用就像人的肌肉，可以改变结构的形状、刚度、位置、固有频率、阻尼、摩擦阻力、流体流动速率、温度、电场及磁场等。驱动元件是自适应结构区别于普通结构的根本特征，也是自适应结构从初级形态走向高级形态的关键。对驱动元件的要求如下:①与主体材料相容性好，具有较高的结合强度。②本身具有较好的机械性能，如弹性模量大、静强度和疲劳强度高、抗冲击等。③频率响应宽，响应速度快，激励后的变形量和驱动力大，且易于控制。目前研究和采用的主要驱动元件有:压电元件、形状记忆合金、电致/磁致伸缩材料、电/磁流变体、压电复合材料、聚合物胶体等。

（1）压电元件