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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 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 智能材料；传感；驱动；控制；应用；发展The progress of application and research about intelligent materialsDeng yuqua
2、n 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 introduced. The applicati
3、ons 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 intelligent materials are
4、approached.Key words: intelligent materials; Sensing; Drive; Control; Application; 整理为word格式Develop目录1智能材料的概述11.1定义和基本特性11.2智能材料的基本构成和工作原理21.3智能材料的分类31.4智能材料的制备32智能材料的应用领域42.1在建筑方面的应用42.1.1智能化混凝土的构成52.1.2自诊断混凝土62.1.3自调节智能混凝土72.1.4自修复智能混凝土72.2军事领域中的应用102.3在航天航空的应用102.4在医学上的应用12整理为word格式2.5在日常生活的应用133
5、结语15整理为word格式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新概念。智能材料结构又称机敏结构( Smart/Intelligent Material
6、s 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1.1 定义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
7、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；整理为word格式(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(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、化学和核辐射等的强度及其变化。(2)反馈功
8、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
9、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。（
10、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整理为word格式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
11、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。1.4 智能材料的制备制备智能材料通常有以下有几种物理方法4：整理为word格式（1）物理气相沉积法 物理气相沉积法( 简称PVD) 是高温加热金属使其蒸发然后沉积于基材上, 形成一定厚度( 约100m) 的致密薄膜。加热金属的方法有电阻加热、电子束加热、等离子加热及利用气体等离子的溅射
12、等方法。（2）喷涂法 喷涂法是把金属、陶瓷等的粉末及它们的混合物用高温气焰或等离子加热使之熔融或半熔, 然后喷涂到基体表面形成膜层的表面处理技术。常用的有火焰喷涂、爆震喷涂、等离子喷涂等。（3）烧结法 烧结法是粉末冶金的一种方法, 该法是把金属或陶瓷等粉末置于用石墨制成的模中, 然后加压、加热或加压后加热烧结的方法。目前应用的有放电烧结法、激光烧结法、微波烧结法、等离子烧结法等。（4）注射成型法 金属注射成型技术是将金属粉末悬浮于由树脂( 塑料) 与蜡组成的混合物黏结剂中, 这种混合物熔化后于高压下注射入模子中。经过模注成型之后, 脱除黏结剂, 经过烧结而制成“ 生坯 ”元件, 因为这种生坯的
13、气孔率极低, 故而性能极接近于铸造材料。金属注射成型元件的尺寸精度很高, 所以节省了机械加工费用。注射成型技术是20世纪70年代后期由美国发明的, 在技术上尚未十分成熟, 还有待于理论研究的深入和生产工艺的改进12。2 智能材料的应用领域作为一种新兴技术材料,智能材料的应用日益引起人们的广泛兴趣,在建筑、军事、医学和日常生活织服等领域都有着广阔的发展前景1,13。2.1 在建筑方面的应用智能混凝土是智能型材料的一种，目前正被大力运用于建筑的施工过程中。如大型的桥梁，超高层建筑物，横跨的重要工程结构，大水坝，大型的海洋开采油井平台系统等等现在不断的涌现出，它们是服务期通常可以达到几十年甚至是上百
14、年。智能材料在大型和民用建筑的有效的应用，可以大大降低维护和检测费用，降低土木工程结构内部带来的忧患，及时掌控土木工程结构的安全使用状况。整理为word格式智能混凝土的形成是在混凝土原有的组成部分上添加一些复合智能型部分，让混凝土具备了自感知、自记忆、自适应、自修复等多种特点的多功能型材料。智能混凝土由于具备多种功能，因而可以对混凝土材料内部的损伤进行准确地预报，为混凝土的安全检测提供必要的条件，这就消除了混凝土结构内部潜在的脆性破坏。如果混凝土内部出现问题，也能根据检测后的结果进行自动修复，对提高混凝土的安全性和耐久性很有帮助。2.1.1 智能化混凝土的构成智能化混凝土工程材料不仅包括水泥、
15、混凝土,而且还包括材料中一切可能的组合单元14。（1）水化过程中的智能单元 水化过程中的智能单元由已经广泛应用的水泥防潮剂、缓凝减水剂、多功能外加剂载体、酸碱度指示剂、温度指示剂、强度指示剂等物质构成。在空气条件下它们能防止水泥潮解, 而在水泥加水拌和时对水泥水化无害; 或者在一定的温度、时间条件下,能够选择性地缓释外加剂, 使水泥混凝土水化硬化受控, 智能化地释放水化热; 或是在一定的温度时间及机械振动的条件下形成某种期望的结构, 使混凝土保持程序化的坍落度损失, 从而保证混凝土施工质量; 在混凝土硬化后, 还能自动显示混凝土强度水平。（2）硬化过程中的应力应变显示及调整智能单元 由具有微集料效应的超细粉、空心玻璃球、引气剂引入的球型空心气泡, 或由为改善混凝土受力变形性能而加入的软相物质如橡胶微粒、沥青微粒、粘土微粒、塑料空心球微粒, 或硬相物质如钢筋、钢纤维、碳纤维、铁矿石, 以及为达到设计目的而加入的其它组分如记忆合金、光电传感物质等构成。它们在钢筋混凝土硬化及使用过程中, 可改善混凝土内部的应力应变状态, 显示或输出应力应变信息, 对环境因素引发的裂纹扩展和变形起到阻碍、限制、遏止、控制作用, 并能以某种形式显示、表达或传递、输出、转换应力应变信息。整理为wo
