智能材料研究进展
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ｚ ｈ ａ ｎ ｇ ｘ ｍ＠ ｍｏ ｓ ｔ ． ｃ ｎ。
细 锄 ｜
６ ２
智 能材 料 研 究进 展
固体 的力 学 的性质 ， 且 撤掉磁 场 后 ， 又还 原 为流 动 液 体 。整个 转化 过程 具有 速度 快 、 耗能 小 、 易 于控 制 等 特点， 具 有较 强 的工程 应用 价值 ， 是 当前 智 能材 料 研 究 的一个 重 要 分支 。因 此 ， 磁 流 变 体 特 别 是 基 于 磁 流 变体设 计 的 阻 尼 器 在 建 筑 、 汽 车、 航 空、 机械 、 仪 表、 医疗 等 领域 具有 广 阔的应 用前 景 。 磁 流变 材料 是 由基 液 、 导 磁性 悬浮 微 粒 、 高分 子 添加 剂组 成 的一种 流体 。磁 流 变液在 磁 场作 用 下 的 流变 性能 主要 体现 在材 料黏 度 、 屈服 剪应 力 、 适 用 温 度及 响应 时 间等 的变 化 。性 能 优 良的磁 流 变液 具 有 零 磁场 黏度 低 、 强 磁 场下 剪 切 屈 服 强 度 高 以及 抗 沉 降 稳定性 好 等优 点 。此外 ， 磁 流变 液还 具 有 能耗 低 、
应用前景 。本 文对智能材料进行 了整 体介绍 ， 并从 工作原理 、 材料 分类、 研 究重点 、 应用前景等方面重点介 绍 了压 电材料 、 形状 记忆材料 、 电／ 磁 致伸缩材料 以及 电／ 磁流 变体材料 。最后对智能材料研 究发展 的趋 势进行 了展 望。 关键词 ：智能材料 ；形状记 忆材 料 ；压 电材料 ；电／ 磁 致伸缩材料 ；电／ 磁 流变体 材料
做 出反应 ¨ 。
题， 美 国国家航空航天局的 Ｌ ａ ｎ ｇ ｌ ｅ ｙ 研究中心研究了 种智能型压电纤维复合材料 （ Ｍ ａ ｃ ｒ ｏ ｉ ｆ ｂ ｅ ｒ ｃ ｏ ｍ ｐ ｏ ｓ — ｉ ｔ ｅ， ＭＦ Ｃ） ， 如 图 １所示 。
一
收稿 日期 ：２ Ｏ １ ３ ５ ３ 作 者简介 ：张新 民 （ １ ９ ６ ７ － ） ，男 ，博 士 ，高级工 程师 ，主要研究方 向为科技发展 战略研究 、科技信息 资源共享理论研 究与实践 ，
料、 形 状 记忆 材料 、 电 阻应变 材料 、 光 敏 材料 、 湿 敏 材
种感 知效 应 。压 电效应 主要 分为 正压 电效应 与 负
压 电效应 。正 压 电效 应是 指在 外力 作用 下 产生 电荷 的效应 ， 可 将机 械能 转换 为 电能 ， 常用作 传 感器 的设
料、 热敏材料、 气敏 材料等 ； 另一 类是对外界环境条
２ ０ １ ３年 第 ６期
玻 璃 钢 ／复 合 材 料
５ ７
智 能 材 料 研 究 进 展
张 新 民
（ 中国科学技术信息研究所 ，北京 １ ０ ０ ０ ３ ８ ）
摘要 ：作 为一种新兴 的多功能材料 ， 智能材料现 已成 为研 究的重点与 热点 ， 并取 得 了丰硕 的研 究成果 ， 有 着广 阔的研 究、
材料 与结 构 。通 过 对 环 境 的变 化 做 出 响应 ， 智 能 材 料 和结 构实 现 了 材 料 的 自变形 、 自诊 断 、 自适 应 、 自 修复 等 功能 ， 是 对 生 物 智 能 的一 种 人 工 模 仿 。智 能
材料 和 结构 现 已成 为一 门新 兴 的多 学科 交 叉综 合 科
指材 料受 到外 力 的 作用 而发 生 形 变 时 ， 由于 内部 的 极 化 现象 而 同时在材 料 的相对 表 面产生 正 负相 反 的 电荷 ， 且 电荷极 性 随着 作 用力 方 向 的改 变 而 改 变 的
一
根据材料在工作时发挥作用 的不同 ， 智能材料 可分 为 两类 ： 一 类 是 对 外 界 的刺 激 具 有 感 知 作 用 的 材料 ， 统称为感知材料 ， 它们可以制作成各种传感器 用 于对 外 界 的刺 激 或 者 系 统 工 作 状 态 进 行 信 息 采 集。 目前用作感知器 的传感材料形形 色色， 如声发 射材 料 、 电感 材 料 、 光导 纤维 、 磁 致伸 缩 材 料 、 压 电材
况和 应用状 况 进 行综 述 性 介 绍 ， 并 对 现 今 执 行 材 料
智能材料和结构是指将驱动器 、 传感器及微处 理控 制 系统 与母 体 材 料 相 融合 ， 除 了具 备 普 通 材 料 的承载能力外 ， 还能感知 、 处理内部和外部信 息（ 如 应力 、 应变 、 热、 光、 电磁 、 化学和辐射等 ） 的一种新型
压 电材 料 作 为机 、 电、 声、 光、 热敏感材料 ， 在 传 感器 、 换能 器 、 无 损检 测 和通讯 技术 等领 域 已获 得 了
广泛 的应 用 。
为 了解 决压 电材 料 存 在 的 变形 小 、 脆 性 大 等 问
成传感器和执行器 ， 借助现代信息技术对感 知信息
进 行 处理 并 把指 令 反馈 给驱 动器 ， 从 而灵 敏 恰 当 地
陶瓷 。
料可 以制作成各种执行器。智能系统 的执行器类似
于生 物 体 的肌 肉 ， 它 能 在 外 界 或 内部 状 态 变 化 时 做 出恰 当的 响应 ， 这 种 响应 可 以表 现在 力 、 位移 、 颜色 、
频率 、 数 码显 示 、 信 息存 储等 各 方面 。 目前 常用 作 执 行器的材料包括 电流变体 、 磁 流变体 、 形 状 记 忆 材 料、 电致 伸缩 材 料 、 磁致伸缩材料 、 压 电 材 料 和 某 些 智 能 高分 子 材料 。智 能 材料 正是 利用 上 述 材料 制 作
件或 内部状 态 发 生 的 变 化做 出 响应 的材 料 ， 这 种 材
计。相反的 ， 逆压电效应是指在外加电场的作用下 ， 材料产生变形的一种效应 ， 将电能转换为机械能 ， 可 用 于驱动 器 的设 计 Ｊ 。
压 电材料 分为 以下六 类 ： ①压 电单 晶 材料 ； ② 压 电 陶瓷材料 ； ③ 压 电半导 体材 料 ； ④ 压 电高 分子 聚 合 物； ⑤压 电复合 材 料 （ 如 图 １所 示 ） ； ⑥ 压 电 玻 璃
研 究 和应 用 中 出现 的 问题 进 行 归 纳 ， 对 智 能 材料 未 来 发 展进行 Nhomakorabea了展望 。
２ 智 能材料及研究进展概述
２ ． １ 压 电材料
压 电材 料是 能够 实现 机械 能 与电能 之 间相 互 转 化且 具备 压 电效应 的一类 电介 质材 料 。压 电效 应 是
学， 是 当今 国际 学术 前沿 学 科之 一 。
中图 分 类 号 ：Ｔ Ｂ ３ ３ ２ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文章 编 号 ：１ ０ ０ ３— ０ ９ ９ ９ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ６— ０ ０ ５ ７—０ ７
１ 前
言
本文基 于 上述 背 景 ， 从工作原理 、 常用 材 料 、 现 实应 用和潜 在应 用等 方 面对智 能材 料 目前 的研 究 状
细 锄 ｜
６ ２
智 能材 料 研 究进 展
固体 的力 学 的性质 ， 且 撤掉磁 场 后 ， 又还 原 为流 动 液 体 。整个 转化 过程 具有 速度 快 、 耗能 小 、 易 于控 制 等 特点， 具 有较 强 的工程 应用 价值 ， 是 当前 智 能材 料 研 究 的一个 重 要 分支 。因 此 ， 磁 流 变 体 特 别 是 基 于 磁 流 变体设 计 的 阻 尼 器 在 建 筑 、 汽 车、 航 空、 机械 、 仪 表、 医疗 等 领域 具有 广 阔的应 用前 景 。 磁 流变 材料 是 由基 液 、 导 磁性 悬浮 微 粒 、 高分 子 添加 剂组 成 的一种 流体 。磁 流 变液在 磁 场作 用 下 的 流变 性能 主要 体现 在材 料黏 度 、 屈服 剪应 力 、 适 用 温 度及 响应 时 间等 的变 化 。性 能 优 良的磁 流 变液 具 有 零 磁场 黏度 低 、 强 磁 场下 剪 切 屈 服 强 度 高 以及 抗 沉 降 稳定性 好 等优 点 。此外 ， 磁 流变 液还 具 有 能耗 低 、
应用前景 。本 文对智能材料进行 了整 体介绍 ， 并从 工作原理 、 材料 分类、 研 究重点 、 应用前景等方面重点介 绍 了压 电材料 、 形状 记忆材料 、 电／ 磁 致伸缩材料 以及 电／ 磁流 变体材料 。最后对智能材料研 究发展 的趋 势进行 了展 望。 关键词 ：智能材料 ；形状记 忆材 料 ；压 电材料 ；电／ 磁 致伸缩材料 ；电／ 磁 流变体 材料
做 出反应 ¨ 。
题， 美 国国家航空航天局的 Ｌ ａ ｎ ｇ ｌ ｅ ｙ 研究中心研究了 种智能型压电纤维复合材料 （ Ｍ ａ ｃ ｒ ｏ ｉ ｆ ｂ ｅ ｒ ｃ ｏ ｍ ｐ ｏ ｓ — ｉ ｔ ｅ， ＭＦ Ｃ） ， 如 图 １所示 。
一
收稿 日期 ：２ Ｏ １ ３ ５ ３ 作 者简介 ：张新 民 （ １ ９ ６ ７ － ） ，男 ，博 士 ，高级工 程师 ，主要研究方 向为科技发展 战略研究 、科技信息 资源共享理论研 究与实践 ，
料、 形 状 记忆 材料 、 电 阻应变 材料 、 光 敏 材料 、 湿 敏 材
种感 知效 应 。压 电效应 主要 分为 正压 电效应 与 负
压 电效应 。正 压 电效 应是 指在 外力 作用 下 产生 电荷 的效应 ， 可 将机 械能 转换 为 电能 ， 常用作 传 感器 的设
料、 热敏材料、 气敏 材料等 ； 另一 类是对外界环境条
２ ０ １ ３年 第 ６期
玻 璃 钢 ／复 合 材 料
５ ７
智 能 材 料 研 究 进 展
张 新 民
（ 中国科学技术信息研究所 ，北京 １ ０ ０ ０ ３ ８ ）
摘要 ：作 为一种新兴 的多功能材料 ， 智能材料现 已成 为研 究的重点与 热点 ， 并取 得 了丰硕 的研 究成果 ， 有 着广 阔的研 究、
材料 与结 构 。通 过 对 环 境 的变 化 做 出 响应 ， 智 能 材 料 和结 构实 现 了 材 料 的 自变形 、 自诊 断 、 自适 应 、 自 修复 等 功能 ， 是 对 生 物 智 能 的一 种 人 工 模 仿 。智 能
材料 和 结构 现 已成 为一 门新 兴 的多 学科 交 叉综 合 科
指材 料受 到外 力 的 作用 而发 生 形 变 时 ， 由于 内部 的 极 化 现象 而 同时在材 料 的相对 表 面产生 正 负相 反 的 电荷 ， 且 电荷极 性 随着 作 用力 方 向 的改 变 而 改 变 的
一
根据材料在工作时发挥作用 的不同 ， 智能材料 可分 为 两类 ： 一 类 是 对 外 界 的刺 激 具 有 感 知 作 用 的 材料 ， 统称为感知材料 ， 它们可以制作成各种传感器 用 于对 外 界 的刺 激 或 者 系 统 工 作 状 态 进 行 信 息 采 集。 目前用作感知器 的传感材料形形 色色， 如声发 射材 料 、 电感 材 料 、 光导 纤维 、 磁 致伸 缩 材 料 、 压 电材
况和 应用状 况 进 行综 述 性 介 绍 ， 并 对 现 今 执 行 材 料
智能材料和结构是指将驱动器 、 传感器及微处 理控 制 系统 与母 体 材 料 相 融合 ， 除 了具 备 普 通 材 料 的承载能力外 ， 还能感知 、 处理内部和外部信 息（ 如 应力 、 应变 、 热、 光、 电磁 、 化学和辐射等 ） 的一种新型
压 电材 料 作 为机 、 电、 声、 光、 热敏感材料 ， 在 传 感器 、 换能 器 、 无 损检 测 和通讯 技术 等领 域 已获 得 了
广泛 的应 用 。
为 了解 决压 电材 料 存 在 的 变形 小 、 脆 性 大 等 问
成传感器和执行器 ， 借助现代信息技术对感 知信息
进 行 处理 并 把指 令 反馈 给驱 动器 ， 从 而灵 敏 恰 当 地
陶瓷 。
料可 以制作成各种执行器。智能系统 的执行器类似
于生 物 体 的肌 肉 ， 它 能 在 外 界 或 内部 状 态 变 化 时 做 出恰 当的 响应 ， 这 种 响应 可 以表 现在 力 、 位移 、 颜色 、
频率 、 数 码显 示 、 信 息存 储等 各 方面 。 目前 常用 作 执 行器的材料包括 电流变体 、 磁 流变体 、 形 状 记 忆 材 料、 电致 伸缩 材 料 、 磁致伸缩材料 、 压 电 材 料 和 某 些 智 能 高分 子 材料 。智 能 材料 正是 利用 上 述 材料 制 作
件或 内部状 态 发 生 的 变 化做 出 响应 的材 料 ， 这 种 材
计。相反的 ， 逆压电效应是指在外加电场的作用下 ， 材料产生变形的一种效应 ， 将电能转换为机械能 ， 可 用 于驱动 器 的设 计 Ｊ 。
压 电材料 分为 以下六 类 ： ①压 电单 晶 材料 ； ② 压 电 陶瓷材料 ； ③ 压 电半导 体材 料 ； ④ 压 电高 分子 聚 合 物； ⑤压 电复合 材 料 （ 如 图 １所 示 ） ； ⑥ 压 电 玻 璃
研 究 和应 用 中 出现 的 问题 进 行 归 纳 ， 对 智 能 材料 未 来 发 展进行 Nhomakorabea了展望 。
２ 智 能材料及研究进展概述
２ ． １ 压 电材料
压 电材 料是 能够 实现 机械 能 与电能 之 间相 互 转 化且 具备 压 电效应 的一类 电介 质材 料 。压 电效 应 是
学， 是 当今 国际 学术 前沿 学 科之 一 。
中图 分 类 号 ：Ｔ Ｂ ３ ３ ２ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文章 编 号 ：１ ０ ０ ３— ０ ９ ９ ９ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ６— ０ ０ ５ ７—０ ７
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言
本文基 于 上述 背 景 ， 从工作原理 、 常用 材 料 、 现 实应 用和潜 在应 用等 方 面对智 能材 料 目前 的研 究 状