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1、神奇的智能材料学院：材料科学与工程学院 班级：材料物理2011级1班姓名： 学号：222011319012015摘要：自然永远是人类的灵感之源，她巧妙地运用有限的构筑板块如蛋白质、脱氧核糖核酸（DNA）、水、多糖等，组装成具有一定层次结构的细胞、组织、器官。由此人们希望从仿生角度构思和设计智能材料和系统。智能材料，是一种能感知外部刺激，能够判断并适当处理且本身可执行的新型功能材料。智能材料是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料，是现代高新材料发展的重要方向之一，将支撑未来高技术的发展，使传统意义下的功能材料和结构材料之间的界线逐渐消失，实现结构功能化、功能多样化。科学家预言
2、，智能材料的研制和大规模应用将导致材料科学发展的重大革命。关键词：仿生、智能材料料、第四代材料智能材料的概念由日本高木俊宜教授1989年提出，同期美国对传感功能的适应性结构物、灵巧结构物的研究也很活跃，因此逐渐将它们统称为智能材料与智能系统。智能材料，是一种能感知外部刺激，能够判断并适当处理且本身可执行的新型功能材料。随着都市化进程的加快,道路、桥梁、建筑物的安全成了人们越来越关注的问题.桥梁、建筑物,甚至在空中飞行的飞机,在其材料断裂发生事故之前若能发出预警,甚至能够自行修补缺陷,那将会给人以极大的安全感.为了达到这个目的,科学家们在上世纪80年代提出了智能材料的构想,现在仍处于萌芽阶段,但
3、人们已经看到了它的巨大潜力. 一、智能材料初认识智能材料的构思源于仿生理念，特别是归于对生物智能的模仿，因而智能材料也就理所当然的应该具备感知环境(包括内环境和外环境)刺激，对之进行分析、处理、判断，并采取一定的措施进行适度响应的智能特征，具体说来如下：（一）、智能材料的仿生内涵(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。（二）、智能材料的特征因为设计智能材料的两个指导思想
4、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
5、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。（三）、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（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
6、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）其它功能材料。包括导电材料、磁性材料、光纤和半导体材料等。二、智能材料开发（
7、一）、智能金属材料及形状记忆材料图1智能金属材料为具有自检知、自判断、自行动功能乃至能对变形、振动、损伤等进行适当地控制的金属材料。其中典型的形状记忆材料中的形状记忆合金。许多重大发现都是从偶然事件开始的，记忆合金也不例外（图一）。1963年，美国海军军械研究室在进行一项实验中需要一些镍钛合金丝，拿来时全都弯弯曲曲，使用起来不方便，于是将它拉直后使用，后续试验中，奇怪的现象出现了：当温度身高到一定值时，这些拉得笔直的合金丝又魔术般的恢复到弯弯曲曲的状态，而且和原来丝毫不差，重复多次后也是同样丝毫不爽，就这样形状记忆合金出现在了科学家们的视线。这种材料可贵的是，它是一张弓无疲劳的材料，这种记忆本
8、领即使重复500万次以上也不会产生丝毫疲劳，更不会断裂。形状记忆合金由于具有许多优异的性能，因而广泛应用于航空航天、机械电子、生物医疗、桥梁建筑、汽车工业及日常生活等多个领域。形状记忆合金分为以下几类（图2）：（1）单程记忆效应。形状记忆合金在较低的温度下变形，加热后可恢复变形前的形状，这种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。（2）双程记忆效应。某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状，称为双程记忆效应。（3）全程记忆效应。加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状，称为全程记忆效应。图2（二）、智能无机非金属材料智能无机非金属材料，现行研究主要
9、有：碳纤维混泥土、自诊断自愈合陶瓷、变色玻璃、压电材料等。其中碳纤维混泥土和自诊断自愈合陶瓷类似都运用纤维与之复合，复合的纤维不仅具有增韧机制而且具备损伤传感功能。其中常用的增韧机制有长纤维的复合、桥接、分散相的复合、增韧相的拔出、相变增韧、晶体结构的微细化等。断裂感知功能则来自导电相、晶界相、多层结构、介电体、压电体等的运用。变色玻璃包括：光致色变（图3）、电致色变、热致色变玻璃。（三）、智能高分子材料图3 具有运用价值的智能高分子材料包括形状记忆高分子材料、刺激应答性高分子水凝胶、侧链液晶高分子材料、结构性导电性高分子材料等。其中一个研究重点是刺激应答性高分子水凝胶，根据刺激型号不同分为温
10、敏性凝胶、光敏性凝胶、磁场响应凝胶、电场响应凝胶、ph响应凝胶、化学物质响应凝胶。另外一类高分子材料不管它已改变成什么尺寸和形状，只要通过加热光照、辐射、机械力作用、电刺激、ph变化、等外部条件变化或刺激手段的处理，又可以使其恢复到初始的尺寸或形状，这就是形状记忆合金高分子材料。它具有形变量大、易成型加工、记忆回复温度范围宽、且恢复温度便于调整、保温和绝缘性能好、重复变形和使用次数多、价格便宜等优点。同时还具有耐锈蚀、耐酸碱、易着色、可印刷、质轻、成本低、使用价值高等优点，广泛运用于化工、纺织、医学、建筑、电子等领域。（四）、智能纤维（图4）智能纤维是美国麻省理工研制的一种新的智能材料，通过在
11、人造纤维中添加感光和感声材料，应用于从防侦探麦克风到精密医疗器械等各领域。为了制作出能够感应声音的纤维，科学家们先制作了一个杆状的粗加工成品，里面的瓶坯是石墨电极层，然后将这个石墨杆加热，拉伸成数毫微米的薄膜。当然了对这种材料加热会导致其内部不同层之间的分离或混合，因此科学家专门开发了新方案来拉伸这种纤维以便破坏其内部构造。之后，他们在这种半成品纤维中加入了压电原料，这种压电原料会在压力之下产生电流。当声波遇到这种纤维时，它会弯曲并产生电流，通过测量电流，你就可以听到声音和压力波，其感应范围十分广泛，从普通的声到超声波都可以感应到。这种纤维还可以反向工作，当电流输入该纤维内，它同样可以产生声波
12、或压力波。图4三、智能材料与系统发展前景个人展望智能材料发展比较晚，也就寥寥二三十年，但是却在短短的时间里取得了很多令人瞠目的成果，我也相信在未来的几十年里也将充满活力，甚至会引来更多科研力量的瞩目。此外随着智能材料与系统的研究不断深入，将不断的走向市场化、系统化、智能化、仿生化。特别地，在医学领域得到极大的突破，在智能生物医用材料方面如蛋白质分子识别能力控制和操作、杂化水凝胶组装蛋白质药物释放载体、靶向释放、控制释放芯片。另外智能系统也将在超快颜色显示、激光诱发凝胶体积变化、自律流动控制水凝胶快速电驱动执行元件等不断深入，最后也将推动仿生机器人研究越来越仿真，进入到一个真正的智能化时代。故而，智能材料的发展研究是大势所趋，一个时代的变革。参考文献1. 姚康德、成国祥.智能材料.北京：化学工业出版社出版社，2000.09 2. 李卓球、宋显辉. 智能复合材料结构体系.武汉：武汉理工大学出版社,2005.043.周新华.材料科学的奥秘.北京：中国社会出版社,2005.12
