智能材料的应用和发展

智能材料的应用和发展

作者李万飞

指导教师郝洪荣

【内容摘要】智能材料是一种感知外部刺激，能够判断并适当处理且本身可执行的新型功能材料。本文（主要）介绍了智能材料的仿生构想，并重点介绍了智能金属材料、智能无机非金属材料、智能高分子材料、智能纤维、仿生工程材料的构成原理、应用领域和研究现状，并阐述了智能材料的战略意义，展望了它的发展前景,最后探讨了智能材料与材料科学的关系及其发展趋势。

【关键词】智能材料、仿生、智能纤维。

The Application And Development Of Intelligent Materials Content Abstract：The intelligent material is one kind of new Functional Materials that can sensation the exterior stimulation, judge and proper treate, also iself can be executed. This paper (main) introduced the intelligent material biological modelling conception, and key introduced the Constitution principle, application domain and present research situation of Intelligence metallic material , intelligent inorganic nonmetallic material, intelligent high polymer material, intelligent textile fiber, and the bionic engineering materials. Elaborated the strategic significance of smart materials and look forward to its future development. At last, dscussed the relationship between smart material and materials science and its development trend.

Key Words: The Itelligent Mterial,、The bionic,、Intelligent Fiber .

一、智能材料

在这个新材料层出不穷的时代，智能材料也是独领风骚的一朵奇葩，是二十世纪九十年代迅速发展起来的一类新型复合材料。智能材料又可以称为敏感材料，其英文翻译也有若干种，常用的有Intelligent material，Intelligent material and structure，Smart material，Smart material and structure，Adaptive material and structure等。它的构想来源于仿生(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。具体来说需具备以下内涵：

(1)具有感知功能，能够检测并且可以识别外界(或者内部)的刺激强度，如电、光、热、应力、应变、化学、核辐射等；

(2)具有驱动功能，能够响应外界变化；

(3)能够按照设定的方式选择和控制响应；

(4)反应比较灵敏，及时和恰当；

(5)当外部刺激消除后，能够迅速恢复到原始状态。

举一个简单的应用了智能材料的例子：某些太阳镜的镜片当中含有智能材料，这种智能材料能感知周围的光，并能够对光的强弱进行判断，当光强时，它就变暗，当光弱时，它就会变的透明。[1]

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。

下面我们将从智能材料的特征、构成和分类来简单的介绍一下。

1、智能材料的特征

设计智能材料的两个指导思想是材料的多功能复合和材料的仿生设计，所以智能材料系统具有或部分具有如下的智能功能和生命特征：

(1)传感功能（Sensor）

能够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、核辐射等的强度及其变化。

(2)反馈功能（Feedback）

可通过传感网络，对系统输入与输出信息进行对比，并将其结果提供给控制系统。(3)信息识别与积累功能

能够识别传感网络得到的各类信息并将其积累起来。

(4)响应功能

能够根据外界环境和内部条件变化，适时动态地作出相应的反应，并采取必要行动。(5)自诊断能力（Self-diagnosis）

能通过分析比较系统目前的状况与过去的情况，对诸如系统故障与判断失误等问题进行自诊断并予以校正。

(6)自修复能力（Self-recovery）

能通过自繁殖、自生长、原位复合等再生机制，来修补某些局部损伤或破坏。

(7)自调节能力（Self-adjusting）

对不断变化的外部环境和条件，能及时地自动调整自身结构和功能，并相应地改变自己的状态和行为，从而使材料系统始终以一种优化方式对外界变化作出恰如其分的响应。

2、智能材料的构成

一般来说智能材料由基体材料、敏感材料、驱动材料和信息处理器四部分构成。[1] (1) 基体材料

基体材料担负着承载的作用，一般宜选用轻质材料。一般基体材料首选高分子材料，因为其重量轻、耐腐蚀，尤其具有粘弹性的非线性特征。其次也可选用金属材料，以轻质有色合金为主。

(2) 敏感材料

敏感材料担负着传感的任务，其主要作用是感知环境变化（包括压力、应力、温度、电磁场、PH值等）。常用敏感材料如形状记忆材料、压电材料、光纤材料、磁致伸缩材料、电致变色材料、电流变体、磁流变体和液晶材料等。

(3) 驱动材料