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1、智 能 无 机 材 料,概述 智能材料的概念 智能材料的设计和构思 智能材料的特征 智能材料的研究 压电陶瓷 形状记忆陶瓷 自修补、自愈合陶瓷材料 陶瓷基复合材料的自诊断 智能混凝土材料,智能材料的概念 智能材料是指环境具有可感知、可响应，并具有功能发现能力的新材料。它是能够接受和响应外部环境的信息而自动改变自身状态的一种新型材料，它不但可以判断环境，而且还可顺应环境，即具有类似于活的生物肌体组织那样的病变自诊断、外部伤口自愈合、环境自适应、预告寿命、甚至自己分解、自己学习、自己增值、自组装、自恢复、应对外部刺激自身积极发生变化等功能效应。由于这种材料不是过去常见的单一的、简单的组织结构，因此
2、常称之为智能材料系统。,自1989年日本高木俊宜教授提出了智能材料概念以来，先是在日本、美国，尔后是西欧，进而世界各国的材料界都开始研究智能材料。 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，成为具有自监测、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。 例如，人们将导电性能较好的碳素纤维与玻璃纤维等集束在一起，制得的智能材料，在较强外力作用下扭曲时，其中的碳素纤维因较脆而首先被部分或全部折断，
3、从而使材料的电阻发生相应的变化，据此可预测出该材料受损的程度。 再如在混凝土材料中，预先埋入大量装有裂纹修补剂的空心纤维，当混凝土受压开裂时，这些空心纤维也会裂开一个口了，从而释放出修补剂，把裂纹重新粘接起来。,智能材料有时又称为机敏材料，而二者并非完全相同，机敏材料可以判断环境，但不能顺应环境，机敏材料再加上控制功能就是智能材料。 智能材料则不但可以判断环境，而且还可顺应环境，即智能材料具有应付环境条件的特性。如自我诊断，自我修复，预告寿命，自我分解，自我增生，应付外部刺激自身积极发生变化。 （日本多用）智能材料指具有智慧和智力、有思考和推理的本领，或具有敏捷的体会、解释和正确决定的本领；
4、（美国多用）机敏材料指具有或显示出思维的机灵和感受敏捷性，即具有计算能力、敏捷快速有效的能动性有生气的活度。 二者有层次上的区别，即机敏材料只能作出简单线性的响应，但智能材料可根据环境条件的变化程度非线性地使材料与之适应以达到最佳的效果，可以说在机敏材料的自诊断、自适应和自愈合的基础上增加了自决策功能，体现具有智能的高级形式，但因二者在现研究阶段联系多于区别，故常混用。,智能材料本身一定是复合材料，因为智能材料要求复杂的独特的多功能，而一种材料不可能兼备这些功能，必须复合化后才能得到智能材料， 智能材料又多是纳米材料，这是因为纳米材料具有许多优异的特性，同时便于集成。 智能材料的概念也在不断地
5、扩展，它是材料学、电子学、信息科学、生命科学等众多学科与技术的交叉产物。 目前正在研究发展之中的自愈合复合材料、自应变复合材料等，这是可以把某种处于暂稳态的材料作为潜在组分与其它常规条件下起作用的材料复合，一旦出现异常状态（如受力损伤等）则在外场的作用下（如力场）使潜在组分所处的暂稳态变成稳定态而起到应有的效能，以达到自愈合和自应变的目的。,有关智能材料的研究刚刚开始，定义尚不统一，但其内涵一般应包括五个方面: (1)具有感知功能,能检测并可识别外界(或内部)的刺激，如应力、应变、热、光、电、磁、化学或核辐射等; (2)具有驱动特性及响应环境变化功能; (3)能以设定的方式选择和控制响应; (
6、4)反应灵敏、恰当; (5)外部刺激条件消除后,能迅速回复到原始状态。 因此,智能材料应具备感知、处理和驱动三个基本要素。 由于现有的单一均质材料通常难以具备多功能的智能特性,因此,往往需要两种或几种材料的复合,构成一个智能材料体系，这是复杂材料体系的复合。它的设计、制备、加工及结构和性能表征均涉及材料科学中最前沿的领域，集中反映和代表了材料科学的最高水平和最新发展方向。,智能材料的设计和构思 智能材料的构想源自仿生，目标是要获得具有类似生物材料的结构及功能的“活”材料系统。它能够感知外界环境的刺激或内部状态所发生的变化，通过材料自身的信息处理和某种反馈机制，能实时地改变材料自身一个或多个性能
7、参数，作出恰当的响应，同变化后的环境相适应。 智能材料设计的思路与以下几种因素有关： 1）材料开发的历史，结构材料功能材料智能材料； 2）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； 3）从材料设计的角度考虑智能材料的制造； 4）软件功能引入材料； 5）对材料的期望； 6）能量的传递； 7）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。,通过对生物结构系统的研究和考察,智能材料有了可借鉴的设计及建造思想、模型和方法.从仿生学的观点出发，
8、智能材料应具有或至少是部分具有以下一些生物智能特性： (1)感知; (2)反馈; (3)信息积累和识别; (4)判断能力和预见性; (5)响应性; (6)自维修; (7)自诊断; (8)自动动态平衡及自适应等。,智能材料系统的组元 许多材料本身具有内在的一些“智能”特性，例如，一些材料的性能如颜色、形态、尺寸、机械性能等随环境或使用条件的变化而改变,具有内在的自诊断、学习和预见能力、刺激-响应能力以及对信号的识别和区分能力；还有一些材料的结构或成分可随工作条件而变化，从而具有一种对环境的自适应和自调节功能；一些材料的电性能、光性能及其他物理或化学性能随外部条件不同而变化，因而除了识别和区分信号
9、、自诊断、和抗刺激能力外，还可发展成具有动态自动平衡及自维修功能。 具有各种独特功能或性能并可用于建构智能材料系统的材料正在不断丰富和完善。,智能材料是材料领域中正在形成的一门新兴学科。智能材料系统和结构是当前工程学科发展的前沿，智能材料将是21世纪的新材料，它的问世将发生一场划时代的材料革命，因而引起世界各国科学家的高度关注，投入大量的人力、物力进行研究和开发，并取得重大进展和一些成果。到现在为止，真正意义上的智能材料系统还没有制造出来，正在研制的和应用的“智能”材料系统，通常仍是机敏材料系统，这里的敏感器和驱动器仍是分立的，而不是微观连续分布的。 根据材料的来源，智能材料可分为金属智能材料
10、、无机智能材料和智能高分子材料。 目前有三种智能材料：压电陶瓷、形状记忆合金、电磁流变体。它们的共同点是本身能感受电磁信号或热能等物理信号，并随之发生明显的内部结构状态的变化或者形状体积的变化。,国外已研制成功并实现了商品化的该类材料有两类：一类可用做智能材料系统中的驱动器材料(即执行器材料)，如形状记忆材料、电流变体、磁流变体、电致伸缩材料、磁致伸缩材料、功能凝胶等。由于这些材料可根据温度、电场或磁场的变化来改变自身的形状、尺寸、位置、刚性、频率、阻尼、内耗或结构，因而对环境具有自适应功能。另一类是光导纤维、压电陶瓷、压电高分子、应变合金及其他特种传感器材料等，它们都可用做智能材料系统中的传
11、感网络材料。 目前研究和应用的无机智能材料系统和结构有：压电陶瓷、电致伸缩陶瓷、形状记忆陶瓷、光导纤维、电致流变流体、自修补和自愈合陶瓷以及机敏无机复合材料、变色玻璃等。,智能材料的特征 智能材料的特征包括：材料的多功能复合；材料的仿生形。 因为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）（2）反馈功能（Feedback）（3）信息识别与积累功能（4）响应功能（5）自诊断能力（Self-diagnosis）（6）自修复能力（Self-recovery）（7）自调节能力（Self-adjust
12、ing）,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）基体材料基体材料担负着承载的作用，选取基体材料主要看材料所使用的环境，以及对材料的要求。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
13、它担负着响应和控制的任务。常用有效驱动材料如形状记忆材料、压电材料、电流变体和磁致伸缩材料等。可以看出，这些材料既是驱动材料又是敏感材料，显然起到了身兼二职的作用，这也是智能材料设计时可采用的一种思路。（4）信息处理器类似人的大脑，接受信息，分析信息，并发出相应的指令。,智能材料的研究 现在科学家们对智能材料的研究主要集中在以下一些方面： （1）在建筑方面，科学家正集中力量研制使桥梁、高大的建筑设施以及地下管道等能自诊其“健康”状况，并能自行“医治疾病”的材料。这方面，英国伊利斯诺大学的科学家的研究已经有了成效。该大学建筑研究中心开发出了两种“自愈合”纤维，这两种纤维能分别感知混凝土中的裂纹和
14、钢筋的腐蚀。粘合裂纹的纤维是用玻璃丝和聚丙烯制成的多孔状中空纤维，将其掺入混凝土中后，在混凝土过渡挠曲时，它会被撕裂，从而释放出一些化学物质，来填充和粘合混凝土中的裂缝。另一种纤维能感知造成钢筋腐蚀的酸度。若把这种纤维包在钢筋周围，当钢筋周围的酸度达到一定值时，纤维的涂层就溶解，从纤维中释放出阻止混凝土中的钢筋被腐蚀的物质。 科学家还设计出了这样一种含敏感材料的水泥地下水管，它可以自我察觉到混凝土中的裂缝，并能在水管破裂漏水之前发出预警信号。,（2）在飞机制造方面，科学家正在研制具有如下功能的智能材料。当飞机在飞行中遇到涡流或猛烈的逆风时，机翼中的智能材料能迅速变形，并带动机翼改变形状，从而消
15、除涡流或逆风的影响，使飞机仍能平稳的飞行。可进行损伤评估和寿命预测的飞机自诊断监测系统。该系统可自行判断突然的结构损伤和累积损伤，根据飞行经历和损伤数据预计飞机结构的寿命，从而在保证安全的情况下，大大减少停飞检修次数和常规维护费用，使商业飞机能获得可观的经济效益。这方面的研究还没有获得实质性的进展。 现在只是有人设想将光纤埋入机翼中，正常情况下，光能通过光纤从机翼的一侧传到另一侧，但当机翼中出现应力或裂痕时，经光纤传播的光线位置会偏离，甚至光还可能被遮挡。根据传播的光线的变化，计算机可以算出机翼中的应力或劈裂状况，从而向驾驶员进行险情预报。此外，还有人设想用智能材料制成涂料，涂在机身和机翼上，
16、当机身或机翼内出现应力时，涂料会改变颜色，以此告警。,（3）在医疗方面，智能材料和结构可用来制造无需马达控制并有触觉响应的假肢。这些假肢可模仿人体肌肉的平滑运动，利用其可控的形状回复作用力，灵巧地抓起易碎物体，如盛满水的纸杯等。根据人体内部状况投放适量药物的药物自动投放系统也是智能材料一显身手的领地。日本东京女子医学院已经推出一种能根据血液中的葡萄糖浓度而扩张和收缩的聚合物。葡萄糖浓度低时，聚合物条带会缩成小球，葡萄糖浓度高时，小球会伸展成带，借助于这一特性，这种聚合物可制成人造胰细胞。将用这种聚合物包封的胰岛素小球，注入糖尿病患者的血液中，小球就可以模拟胰细胞工作；血液中的血糖浓度高时，小球释放出胰岛素，血糖浓度低时，胰岛素就密封。这样，病人血糖浓度就会始终保持在正常的水平上。,（4）军事方面，除飞机以外，智能材料还能降低军用系统噪声。美国军方发明出一种可涂在潜艇上的智能材料，它可使潜艇噪声降低60分贝，并使潜艇探测目标的时间缩短100倍。关于航空航天飞机下面有较为详细的介绍。 （5）智能材料的再一个重要成果就是形状记忆合金。使用形状记忆合金可以做成卫星天线，进行信号接收
