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1、智能材料的应用和研究进展 化学师范 邓裕权 06 黄柳苑 14 徐进娣 38 许楚欢 39 杨贵兰 41 叶丽琴 45 指导老师：叶晓萍 (惠州学院化学工程系，广东，惠州，516007) 摘要摘要 本文综合评述了智能材料的研究、应用和进展。对智能材料与结构的概念进行 了描述，全面总结了智能材料智能材料在航空航天、科学技术、国防军事、生物医药、 建筑建设、日常生活等各方面的应用, 探讨了智能材料光明的应用前景和发展趋势。 关键词关键词 智能材料；传感；驱动；控制；应用；发展 The progress of application and research about intelligent ma
2、terials Deng yuquan Huang liuyuan Xu jindi Xu chuhuan Yang guilan Ye liqin （Chemical engineering system Huizhou university 516007） Abstract: this paper reviewed the research, application and progress of intelligent materials. The basic conceptions about intelligent materials and structures are intro
3、duced. The applications of intelligent materials in aviation and space flight, science and technology, national defenses and military affairs, biology and medicine, building and construction, and daily life are summarized comprehensively. The bright application future and developing trends of intell
4、igent materials are approached. Key words: intelligent materials; Sensing; Drive; Control; Application; Develop 目录 1智能材料的概述.1 1.1定义和基本特性.1 1.2智能材料的基本构成和工作原理.2 1.3智能材料的分类.3 1.4智能材料的制备.3 2智能材料的应用领域.4 2.1在建筑方面的应用.4 2.1.1智能化混凝土的构成.5 2.1.2自诊断混凝土.6 2.1.3自调节智能混凝土.7 2.1.4自修复智能混凝土.7 2.2军事领域中的应用.10 2.3在航天航空的应
5、用.10 2.4在医学上的应用.12 2.5在日常生活的应用.13 3结语.15 前言前言 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
6、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智能材料的概述智能材料的概
7、述 1.1 定义定义和基本特性和基本特性 所谓智能材料，是指能感知外部刺激、能判断并恰当处理、且本身可执行的材料。 智能材料的构想来源于仿生，其最初目标就是研制出一种具有类似于生物功能的“活” 的材料。因此智能材料必须具备感知、驱动和控制这 3 个基本要素。具体来说，智能材 料应需具备以下内涵：(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；(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1。 智能材料往往具有或部分具有如下的智能功能和生命特征：(1)传感功能(S
8、ensor)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 学和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， 适时动态地做出相应的反应，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
9、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，始终以一种 优化方式对外界变化做出恰如其分的响应。 1.2 智能材料的基本构成和工作原理智能材料的基本构成和工作原理 智能材料一般由基体材料、敏感材料、驱动材料和信息处理器 4 部分组成 2, 3。 （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。高分子材料重量 轻、耐腐蚀,具有粘弹性的非线性特征而成为首选,其次也可选用金属材料,以轻质有色合金 为主4。 （2）敏感材料 敏感材料担负着传感5
10、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7,8。 （3）驱动材料 因为在一定条件下驱动材料可产生较大的应变和应力,所以它担负着 响应和控制的任务。常用驱动材料有形状记忆材料、压电材料、电流变体和磁致伸缩材 料等9,10。 （4）其它功能材料 包括导电材料、磁性材料、光纤和半导体材料6等。 （5）工作原理信息处理器 信息处理器是核心部分,它对传感器输出信号进行判断 处理。图 1 为智能材料的基本构成和工作原理。 图 1 智能复合材料工作原理 1.3 智能材料的分类智能材料的分类 可用于智能材料的材料种类在不断扩大,因此智能材料的分类方法很多。一般若按功 能来分可以分为光导纤维、形状记忆合金、压电、电流变体和电(磁)致伸缩材料等。若按 来源来分,可以分为金属系智能材料、无机非金属系智能材料和高分子能材料的应用系智 能材料。金属系智能材料目前所研究开发的主要有形状记忆合金和形状记忆复合材料两 大类;无机非金属系智能材料在电流变体、压电陶瓷、光致变色和电致变色材料等方面发 展较快;高分子系智能材料的范围很广泛,有高分子凝胶、智能高分子膜材、智能型药物释 放体系和智能高分子基复合材料等11。
