智能材料论文：智能无机非金属材料

智能材料论文：

智能无机非金属材料

摘要结构材料所处的环境极为复杂，材料损坏引起事故的危险性不断增加，研究与开发对损坏能自行诊断并具有自修复能力的结构材料是十分重要而急迫的任务。本文对智能材料的发展、构思、无机非金属智能材料进行了综述，对智能材料进一步研究进行了展望。

关键词智能；无机非金属；材料

智能材料是指对环境具有可感知、可响应并具有功能发现能力的新材料。日本高木俊宜教授[]将信息科学融于材料的物性和功能，于年提出了智能材料（）概念。至此智能材料与结构的研究也开始由航空航天及军事部门[]逐渐扩展到土木工程[]、医药、体育和日常用品[]等其他领域。

同时，美国的··教授围绕具有传感和执行功能的材料提出了灵巧材料（）概念，又有人称之为机敏材料。他将灵巧材料分为三类：

被动灵巧材料——仅能响应外界变化的材料；

主动灵巧材料——不仅能识别外界的变化，经执行线路能诱发反馈回路，而且响应环境变化的材料；

很灵巧材料——有感知、执行功能，并能响应环境变化，从而改变性能系数的材料。

··的灵巧材料和高木俊宜的智能材料概念的共同之处是：材料对环境的响应性。

自年以来，先是在日本、美国，尔后是西欧，进而世界各国的材料界均开始研究智能材料。科学家们研究将必要的仿生()功能引入材料，使材料和系统达到更高的层次，成为具有自检测、自判断、自结论、自指令和执行功能的新材料。智能结构常常把高技术传感器或敏感元件与传统结构材料和功能材料结合在一起，赋予材料崭新的性能，使无生命的材料变得有了“感觉”和“知觉”，能适应环境的变化，不仅能发现问题，而且还能自行解决问题。

由于智能材料和系统的性能可随环境而变化，其应用前景十分广泛[]。例如飞机的机翼引入智能系统后，能响应空气压力和飞行速度而改变其形状；进入太空的灵巧结构上设置了消震系统，能补偿失重，防止金属疲劳；潜水艇能改变形状，消除湍流，使流动的噪声不易被测出而便于隐蔽；金属智能结构材料能自行检测损伤和抑制裂缝扩展，具有自修复功能，确保了结构物的可靠性；高技术汽车中采用了许多灵巧系统，如空气燃料氧传感器和压电雨滴传感器等，增加了使用功能。其它还有智能水净化装置可感知而且能除去有害污染物；电致变色灵巧窗可响应气候的变化和人的活动，调节热流和采光；智能卫生间能分析尿样，作出早期诊断；智能药物释放体系能响应血糖浓度，释放胰岛素，维持血糖浓度在正常水平。

国外对智能材料研究与开发的趋势是：把智能性材料发展为智能材料系统与结构。这是当前工程学科发展的国际前沿，将给工程材料与结构的发展带来一场革命。国外的城市基础建设中正构思如何应用智能材料构筑对环境变化能作出灵敏反应的楼层、桥梁和大厦等。这是一个系统综合过程，需将新的特性和功能引入现有的结构中。

美国科学家们正在设计各种方法，试图使桥梁、机翼和其它关键结构具有自己的“神经系统”、“肌肉”和“大脑”，使它们能感觉到即将出现的故障并能自行解决。例如在飞机发生故障之前向飞行员发出警报，或在桥梁出现裂痕时能自动修复。他们的方法之一是，在高性能的复合材料中嵌入细小的光纤材料，由于在复合材料中布满了纵横交错的光纤，它们就能像“神经”那样感受到机翼上受到的不同压力，在极端严重的情况下，光纤会断裂，光传输就会中断，于是发出即将出现事故的警告。

、智能材料的构思[]

一种新的概念往往是各种不同观点、概念的综合。智能材料设计的思路与以下几种因素有关：()材料开发的历史，结构材料→功能材料→智能材料。()人工智能计算机的影响，也就是生物计算机的未来模式、学习计算机、三维识别计算机对材料提出的新要求。()从材料设计的角度考虑智能材料的制造。()软件功能引入材料。()对材料的期望。()能量的传递。()材料具有时间轴的观点，如寿命预告功能、自修复功能，甚至自学习、自增殖和自净化功能，因外部刺激时间轴可对应作出积极自变的动态响应，即仿照生物体所具有的功能。例如，智能人工骨不仅与生物体相容性良好，而且能依据生物体骨的生长、治愈状况而分解，最后消失。

．仿生与智能材料

智能材料的性能是组成、结构、形态与环境的函数，它具有环境响应性。生物体的最大特点是对环境的适应，从植物、动物到人类均如此。细胞是生物体的基础，可视为具有传感、处理和执行三种功能的融合材料，因而细胞可作为智能材料的蓝本。

对于从单纯物质到复杂物质的研究，可以通过建立模型实现。模型使复杂的生物材料得解，从而创造出仿生智能材料。例如，高分子材料是人工设计的合成材料，在研究时曾借鉴于天然丝的大分子结构，然后合成出了强度更高的尼龙。目前，已根据模拟信息接受功能蛋白质和执行功能蛋白质，创造出由超微观到宏观的各种层次的智能材料。

．智能材料设计

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。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这类人工机械，更可用于能条件反射的生物机械。

此自动装置在输入信号(信息)时，能依据过去的输入信号(信息)产生输出信号(信息)。过去输入的信息则能作为内部状态存贮于系统内。因此，自动装置由输入、内部状态、输出三部分组成。将智能材料与自动装置类比，两者的概念是相似的。

自动装置Ｍ可用以下个参数描绘：

Ｍ＝（θ，Ｘ，Ｙ，ｆ，ｇ，θ０）

式中θ为内部状态的集；Ｘ和Ｙ分别代表输入和输出信息的集；ｆ表示现在的内部状态因输入信息转变为下一时间内部状态的状态转变系数；ｇ是现在的内部状态因输入信息而输出信息的输出系数；θ０为初期状态的集。

为使材料智能化，可控制其内部状态θ、状态转变系数ｆ及输出系数ｇ。例如对于陶瓷，其θ、ｆ、ｇ的关系，即是材料结构、组成与功能性的关系。设计材料时应考虑这些参数。若使陶瓷的功能提高至智能化，需要控制ｆ和ｇ。

一般陶瓷是微小晶粒聚集成的多晶体，常通过添加微量第二组分控制其特性。此第二组分的本体和微晶粒界两者的性能均影响所得材料特性。

实际上，第二组分的离子引入系统时，其自由能()发生变化，为使材料的自由能()最小，有必要控制焓()，使熵()达最适合的数值。而熵与添加物的分布有关，因此陶瓷的功能性控制可通过优化熵来实现。熵由材料本身的焓调控。故为使陶瓷具有高功能进而达到智能化的目的，应使材料处于非平衡态、拟平衡态和亚稳定状态。

对于智能材料而言，材料与信息概念具有同一性。而某一Ｌ符号的平均信息量Φ与几率Ｐ状态的信息量ｌｏｇＰ有关，即

此式类同于热力学的熵，但符号相反，故称负熵()。因熵为无序性的量度，负熵则是有序性的量度。

．智能材料的创制方法

基于智能材料具有传感、处理和执行的功能，因而其创制实际上是将此类软件功能（信息）引入材料。这类似于身体的信息处理单元——神经原，可融各种功能于一体（图（ａ）），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（图（ｂ）），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，更是环境的函数。智能材料的研究与开发涉及金属系、陶瓷系、高分子系和生物系智能材料和系统。

、智能无机非金属材料

智能无机非金属材料很多，在此介绍几种较为典型的智能无机非金属材料。

．智能陶瓷

．．氧化锆增韧陶瓷

氧化锆晶体一般有三种晶型：

其中转化为相变具有马氏体相变的特征，并且相变伴随有～的体积膨胀。不加稳定剂的陶瓷在烧结温度冷却的过程中，就会由于发生相变而严重开裂。解决的办法是添加离子半径比小的、、等金属的氧化物。