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1、第 1 期黑龙江纺织No. 12003 年 3 月HEILON GJ IAN GTEXTIL EMar. ,2003智能纤维织物的研究与发展 党桂华1 ,祝迅1 ,李青山2 ,吴爱苹2(11 齐齐哈尔金亚集团 ,黑龙江 齐齐哈尔 161000 ;21 齐齐哈尔大学材料研究所 ,黑龙江 齐齐哈尔 161006)摘 要 : 智能材料系统是集感知 、信息处理与控制执行为一体的复杂材料系统 。智能纤维织物的设计是以功能纤维材料 为基础 ,运用材料科学 、微电子学 、现代控制理论 、计算机科学 、人工智能和神经网络等一系列高新技术 ,赋予纺织材料系 统或纤维大分子链结构本身以智能性 。关键词 : 智能材
2、料 ; 纳米技术 ; 分子组装 ; 仿生学 ; 智能系统Research and Development of Smart Fiber FabricDA N G Gui- hua1 , ZHU X un1 , L I Qing-shan2 , W U A i- ping2(1. Qiqihar Jinya Textile Group , Qiqihar 161000 ; 2. Institute of Material Qiqihar University ,Qiqihar 161006)Abstract : Smart material system is a complex materia
3、l system which has ability of sensation ,information disposal and controlling be2 havior. Smart fiber fabrics design is based on functional fiber material. It uses a serious of high- technologies such as material science , microelecronics ,modern cybernetics ,computer science ,artifical intelligence
4、 and neural network and so on. And it makes the fabric ma2 terial system or big fiber molecular chain structure have intelligence.Key words : smart material ; nanotechnology ; molecules assembly and installation ; bionics ; smart system1智能纤维织物系统智能纤维材料是集感知 、驱动和信息处理于一 体 ,形成类似生物材料那样具备自感知 、自诊断 、 自 适应 、自
5、修复等智能性功能 。智能纤维材料来源于 功能纤维材料 。功能纤维材料有两种 : 一种是对外 界(或内部) 的刺激强度 ( 如应力 、应变 、 热 、 光 、 电 、 磁 、化学和辐射等) 具有感知的材料 ,通常称为感知 材料 ,它可以制成各种传感器 ;另一种是对外界环境 条件 (或内部状态) 发生变化作出响应或驱动的材 料 ,这种材料可以制成各种驱动器 (或执行器) 。智 能材料是利用上述材料制作成传感器和驱动器 ,借 助现代信息技术对感知的信息进行处理 ,并把指令 返回给驱动器 ,从而作出灵敏 、恰当的反应 ,而当外 界刺激消除后又能迅速恢复到原始状态 。这种集传 感器 、驱动器和控制系统于
6、一体的智能材料 ,体现出 了生物的特有属性 ,可以利用图形来对比生物体和智能纤维材料系统 (如图 1) 。图 1 智能纤维织物与生物体关系 感知器 (神经元) ,即俗称的传感器 ,可以用感知 材料制得 ,它能对外界或内部刺激强度具有感知能 力 。执行器 (肌肉) ,用执行材料制得 ,它能在外界环 境条件或内部状态发生变化时作出响应 。信息处理 (大脑) ,可以用信息材料通过微电子 技术制得 。智能纤维材料的结构可用图 2 更清晰地表示 。收稿日期 : 2003 - 02 - 186党桂华等 :智能纤维织物的研究与发展第 1 期图 2 智能纤维材料结构图20 世纪 70 年代 ,美国弗吉尼亚理工
7、学院及州立大 学的 Claus 等人将光纤埋入碳纤维增强复合材料 中 ,使材料具有感知应力和断裂损伤的能力 。这是 智能材料的首次实验 ,当时这种材料系统被称为自 适应材料 (adaptive material) 。1989 年日本高木俊宜教授将信息科学融于材 料结构和功能 ,是指对环境具有感知 、可响应 ,并具 有功能发现能力 。智能材料是模仿生命系统 ,感知环境变化 ,并能 实时地改变自身的一种或多种性能参数 ,做出所期 望的 、能与变化后的环境相适应的复合材料或材料 的复合 。机敏或智能材料是根据需要选取两种或多 种不同的材料按一定的比例以某种特定的方式复合 起来 ( material
8、composition) 或是材料集成 ( material integration) ,即在所使用材料中埋入某种功能材料 或器件 ,使这种新组合材料具有某种或多种机敏特 性 ,甚至智能化 。它已不再是传统的单一材料 ,而是 一种复杂的材料体系 。通过对生物结构系统的研究和考察 ,机敏或智 能材料有了可借鉴的设计和建造思想模型及方法 。 从仿生学的观点出发 ,智能纤维材料内部具有或部 分具有以下生物功能 :(1) 反馈功能 。能通过传感神经网络 ,对系统的 输入和输出信息进行比较 ,并将结果提供给控制系 统 ,从而获得理想的功能 。(2) 信息积累和识别功能 。能积累信息 ,以及识 别和区分传
9、感神经网络得到的各种信息 ,并进行分 析和解释 。(3) 学习和预见性功效 。能通过对过去经验的 收集 ,对外部刺激作出适当的反应 ,并可预见未来 , 采取适当的行动 。(4) 响应性 。根据环境变化适时的动态调节自 身并作出反应 。(5) 自修复性 。通过自生长或原位复合等再生 机制来修补某些局部破损 。(6) 自诊断性 。能对现在情况和过去情况进行 比较 ,从而对诸如故障及判断失误等问题进行自诊 断和校正 。(7) 自动动态平衡及适应功能 。能根据动态的 外部条件不断自动调整自身的内部结构 ,从而改变 自己的行为 ,以一种优化的方式对环境作出响应 (如 图 3) 。图 3 智能纤维织物与生
10、物体关系2智能纤维织物的设计智能结构是材料科学 、微电子学 、现代控制理 论 、计算机科学 、人工智能和人工神经网络等一系列 高新技术综合集成的结果 。以下领域的技术对智能 纤维织物材料的设计及应用起到了一定的推动作 用 。(1) 材料耦合特性的开发与利用 。感知元件 (sensor) 或执行元件 (actuator) 是智能结构的主要组 成单元 ,它们通常是利用材料的某种或几种交叉耦 合关系 。(2) 复合 (叠层) 材料的分析 、设计与制造技术使 感知元件 、执行元件和微处理器等能以分布的方式 埋入主体结构 ,从而复合后使结构具有能同时实现 承载 、 探 测 、辨识和自主控制等功能 。(3
11、) 自适应 。鲁棒控制 、客错控制与智能控制技术 。(4) 计算机科学与微电子技术 。使智能纤维材 料能分析其结构的静态 、动态及疲劳断裂等问题 ,使 感知元件和执行元件能以分布的方式埋入主体结 构 ,将结构基本性能的损害降低到最小程度 。智能纤维材料的开发与设计可以从两个不同的(下转第 11 页)2003 年 3 月黑龙江纺织112工艺的改进梳棉和并条是影响纱疵的关键工序 ,我们重点 对这两道工序的工艺进行了大胆的优选 。 (1) 梳棉 。经过反复试验 ,我们采取轻定量 、 紧 隔距 ,棉网清晰度很好 , 对减少纱疵有很大的好处 (见表 2) 。表 2 对比试验可见针布的好坏 ,直接影响布面
12、的质量 。为此 我们缩短了磨针的周期 ,从而改善了梳棉针布的状 态 ,在这一环节上大大减少了纱疵 。(2) 为了检测纱疵情况 ,我们对细纱机台的百管 断头进行了测试 。通过测试 ,发现细纱机个别机台 的百管断头达 240 根之多 ,而一般的机台都在 110 根左右 。对这些机台进行分析研究后 ,确认是个别 设备部件造成的 :一是细纱机上皮圈架弯曲 ;二是轻隔距(盖板) 13 10 10 10 13工 艺隔距(盖板) 10 8 8 7 10定量 2015g/ m定量 1712g/ m 万米纱疵5 12 8(2) 并条工艺 。经试验确认粘胶不走预并 ,而是 在混一上直接混入生条 ,这样对减少纱疵有
13、很大好 处 。因为粘胶纤维走预并后 ,工艺道数增加 ,短绒增 加 ,产生纱疵的机会就增多 ,为了避免这一现象 ,我 们采用了如下的工艺路线 : 混一混二 涤预 粘生条二根 、涤预并条六根 成条3设备的管理(1) 梳棉针布的好坏是影响纱疵的一个主要因 素 。我们做了如下的对比试验 ,就能说明这一点 。表 3针布状态好坏 十万米纱疵2968 质辊有锈 。经过对皮圈架的校正及轻质辊的除锈 , 解决了个别机台纱疵多的问题 。4提高技术操作水平在实践中还发现 ,各个工序的操作不标准也是 产生纱疵的一个重要因素 。我们加大了对挡车工的 培训力度 ,开展了班前班后的技术大练兵活动 ,达不 到技术标准要求的不
14、允许上岗 。并在各工段之间展 开操作擂台赛 ,使各工序的挡车工操作技术水平有 了很大的提高 。同时 ,我们又对各工序的防疵剔疵 加强了管理 ,开展了剔疵有奖 ,出疵受罚的活动 ,让 每一个挡车工都能积极进行防疵 、 剔 疵 ,从而减少了 人为疵点的产生 。通过对原料的使用 、工艺的改进 、设备的管理 、 操作技术水平的提高等关键问题的解决 ,使成纱的 疵点明显减少 ,达到了革基布用纱的质量要求 。(上接第 6 页) 角度出发 。其一是仿生技术 ,生物体具有的环境感 知性和响应性 ,是智能材料设计的出发点 。智能本 是生物体所特有的现象 ,生物体的环境感知和响应 性启发人们从仿生科学与工程中能动
15、地在学科交叉 中探索材料系统和结构的适应性 ,向生物的多重功 能逼近 。另外 ,从智能纤维材料本身的结构特点出 发 ,找出智能材料结构的共性 ,从而合成 、加工并设 计出不同的智能特性材料 。介观尺寸 ( mesoscope) 结构在智能材料开发中占极其重要的地位 ,所谓介 观尺寸是指尺寸大小位于纳米和微米级的尺寸结 构 。 智能纤维织物可以在现有纤维织物改良性 、 功 能性 、智能性的基础上进行组合设计 。3 智能纤维材料的展望智能材料的含义十分广泛 ,涉及材料有金属系 智能材料 、无机非金属系智能材料 (如 :压电陶瓷 、 电 致伸缩陶瓷 、电流变体) 、高分子系智能材料 (包括 :智能凝胶 、药物控制释放体系 、压电聚合物) 以及智 能膜类等 。结构层次从宏观到微观 ,特别是纳米组 装材料或直接制出纳米级纤维 、纳米管 、纳米导线 等 ,以及纳米学与生物学相结合的纳米生物学 ,都为 智能织物提供了物质基础和现实条件 。 材料开发的最终目的是为人类服务 ,材料与生 物之间联系非常紧密 。对于智能织物纤维材料的合 成而言 ,仿生学是我们的出发点 ,最近的材料芯片技 术 ,把开发新材料的速度推上了快车 。 总之 ,材料的微细化 、生物化 、多功能化是智能 纤维材料的发展方向 。参考文献 : 1 杨大智. 智能材料与智能系统 M. 天津 :天津大学出版社 ,2000. 2
