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文/江洪 王微 王辉 尹婧婧 中国科学院武汉文献情报中心，中国科学院大学
一、智能材料的结构与基本特征 二、智能材料的分类 三、几种常见的智能材料 四、智能材料技术专利分析 五、智能材料商业发展 智能材料是指能感知环境条件并做出相应“反应”的材料，其行为与生命体的智能反应有些类似，1989年日本的高木俊宜提出了这一概念。日常生活中常见的变色镜片就是用智能材料制成的，它可以根据太阳光线的强弱做出反应，表现出明暗的变化。 智能材料的发展前景非常广阔。一方面，其构想来源于仿生学，科学家们的目标就是想研制具有类似于生物各种功能的“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。另一方面，一种材料的功能较单一，难以满足要求，为了解决这个问题，科学家研究采用2种或2种以上的材料复合来构成一个智能材料系统，因而对智能材料的研究涵盖了关于材料系统的设计、制造、加工、性能和结构特征，这些均涉及到了材料学最前沿的领域，对智能材料的研究代表了材料科学最活跃的方面和最先进的发展方向。智能材料是21世纪一次划时代和深刻的材料革命，其独特的仿生物智能功能，在国民经济的各个领域中已展现出优越性能和广阔的应用前景，与此同时，智能材料发展成为了一门新兴的多学科交叉的综合科学。 一、智能材料的结构与基本特征 智能材料由基体材料、感知材料、执行材料和感知以及测控系统组成，如图1所示。 图1 智能材料的基本组元材料 基体材料是起承载作用的智能材料结构，应选用轻质的材料，高分子材料由于其质轻、耐腐蚀、粘弹性、非线性等特征而成为首选，另外也可选用金属材料，以强度较高的轻质有色金属合金为主。感知材料是在智能材料中起着传感作用的结构，主要作用是感知压力、应力、温度、电磁场、pH值（酸碱度）等环境的变化。形状记忆材料、电致变色材料、磁致伸缩材料、光纤材料、压电材料、电流变体和液晶材料等都是常用的感知材料。执行材料是智能材料中起着响应与控制作用的结构，前面提到的形状记忆材料、压电材料、磁致伸缩材料和电流变体等感知材也都属于执行材料。信息处理器的主要作用是处理传感器输出的信号，是智能材料核心部分。另外还有一些配合特殊性能的其它功能材料，包括导电材料、磁性材料、光纤和半导体材料等。 智能材料的独特结构决定了其基本特征，主要表现在其拥有不同寻常的功能和能力。功能包括：传感功能，即感知自身所处的环境条件的变化；反馈功能，即对比系统输入与输出信息，并将结果反馈给控制系统；信息识别与积累功能，即识别并积累来自传感网络的信息；响应功能，即根据变化适时做出反应并采取行动。能力包括：自诊断能力，即对系统自身的故障等问题的诊断和校正；自修复能力，即通过再生机制，修复损坏部分；自调节能力，即调节自身结构功能，改变自身状态行为以适应外界环境的变化。 二、智能材料的分类 智能材料可以从不同的角度进行分类，按照材料的组成可分为金属系智能材料、无机非金属系智能材料和高分子系智能材料3种类型。金属系智能材料，主要指形状记忆合金（SMA），是一类重要执行材料，可用其控制振动和结构变形。这种功能主要是由物体的磁致伸缩现象而产生的，而铽-镝-铁多晶合金是最典型的磁致伸缩材料。最近，因为稀土功能材料的超磁致伸缩性能，引起了人们广泛注意。无机非金属系智能材料主要在压电陶瓷、电致伸缩陶瓷、电（磁）流变体、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，由于是人工合成，品种多、范围广，所形成的智能材料也极其广泛，其中主要有形状记忆高分子、智能凝胶、压电高分子、药物控制释放体系、智能膜等。 按照智能材料的自感知、自判断和自执行角度出发可分为自感知（传感器）智能材料、自执行（驱动器）智能材料、自判断（信息处理器）智能材料3种。自感知（传感器）智能材料包括压电体、电阻应变丝、光导纤维等；自执行（驱动器）智能材料包括与传感器用压电体材料相同的压电体、伸缩性陶瓷、形状记忆合金、电流变液等。 按照智能材料的智能特性来划分，可分为可以改变材料特性（如力学、光学、机械等）的智能材料；可以改变材料组分与结构的智能材料；可以监测自身健康状况的智能材料；可以自我调节的智能生物材料（如人造器官、药物释放系统等）；可以改变材料功能的智能材料等。 按照智能材料的功能特性来划分，可分为是对外界或内部的刺激强度，如应力、应变及物理、化学、光、热、电、磁、辐射等作用具有感知功能的材料，这种材料又被称为感知材料和能对外界环境条件或内部状态发生变化时做出响应或驱动的材料。感知材料主要有压电高分子材料、形状记忆合金、压电陶瓷、光导纤维等。 按照智能材料模拟生物行为的模式来划分可分为智能传感材料、智能驱动材料、智能修复材料以及智能控制材料等。 三、几种常见的智能材料 1． 压电材料 压电材料是一种能够实现电能与机械能相互转化的机敏材料，压电材料主要包括无机压电材料、有机压电材料和压电复合材料3类。居里（Curie）兄弟在对石英晶体的介电现象和晶体对称性的试验研究中发现了压电效应，压电效应分为正压电效应和逆压电效应2种情况。当机械力作用在其上时，内部正负电荷中心发生相对位移而产生电的极化，就是正压电效应。 （1）压电材料的应用 压电材料能够实现电能与机械能相互转化，具有制作简单、成本低、换能效率高等优点，因而被广泛应用于热、光、声、电子学等领域。随着压电材料制备技术的发展, 压电材料在日常生活、生物工程、军事、光电信息、能源等领域有着更加广泛而重要的应用。在日常生活方面，压电材料的应用相当普遍。例如，电视机、录像机、自动点火煤气灶、雾化加湿器、B超、彩超、超声美容、降脂器、理疗仪等。在军事方面，压电陶瓷制成的声呐系统能在水中发声、接受声波，也可用于水下、地球物理探测，以及声波测试、夜视装置、红外探测器等方面，此外，还可以利用压电陶瓷的智能功能控制飞机、潜艇的噪声。图2是美国国家航空航天局研究的一种智能型压电纤维复合材料（ Macro Fiber composite，MFC）。以MFC 压电复合材料为基础，可以制作控制F /A-18飞机垂尾2个表面上的第1型扭转模式。 图2智能型压电纤维复合材料 在生物医学领域，生物压电陶瓷主要用于实现生物仿生。例如，聚偏氟乙烯（PVDF）薄膜可用在人体和动物器官的超声成像测量中，还可用来模拟人体皮肤。在光电信息方面，压电材料主要可用于声表面滤波器、光快门、光波导调制器、光显示和光存储等，还可以用在机器人和其它智能结构中，对外界产生的信号进行处理、传输、储存。压电材料也可以适用于高频和中等行程控制，包括各种光跟踪系统、自适应光学系统、机器人微定位器、磁头或喷墨打印器和扬声器等。 （2）压电材料的发展前景 压电材料经过多年发展，目前其总的趋势走向是功能结构复合化、功能个性化、性能极限化、体积微型化。目前其研究热点主要集中在以下几方面： ①高温压电材料 高温材料是目前研究的热点之一，因为在核电能源、航空航天、冶金石油化工等许多领域迫切需要能够适应更高的温度的电子设备。高温压电陶瓷的研究主要集中在钪酸铋-钛酸铅、碱金属铌酸盐和具有非钙钛矿结构的偏铌酸铅3种体系，高居里单晶材料主要为锂盐类压电和铁电单晶如铌酸锂、钽酸锂、锗酸锂等材料。 ②细晶粒压电陶瓷 细晶粒压电陶瓷材料的研究和应用正成为近期的热点之一。因为随着纳米技术的发展，科学家希望通过纳米结构仿生，复制特殊生物体微纳结构以获得卓越的性能，使材料成为具有类似于生物体所具有各种功能的“活”材料。 ③无铅压电陶瓷材料 现在广泛应用的是绝大部分压电材料是以锆钛酸铅为核心的压电材料，这类产品的使用过程中会产生对人体有害的含铅产品，同时对环境也造成很大污染。因此，目前压电陶瓷材料领域的研究热点是无铅压电陶瓷。不过，目前这种材料的研究还处于基础研究阶段，距离商业化还有较长距离。 ④压电复合材料 压电复合材料应用研究已经有了相当大的进展，但它的完整理论还未建立起来，其应用开发还有待进一步挖掘。当前，压电复合材料的研究主要集中在开发连接类型、改进成型工艺和制备多功能器件等方面。 2．形状记忆合金 形状记忆合金是自执行智能材料的一种。20世纪60年代美国海军军械研究所的Buehler在研究中发现了镍钛（Ni-Ti）合金具有“形状记忆效应”，并以此为基础研究了形状记忆合金。利用这一特性可以制成理想驱动器，因其被加热至奥氏体温度时，可自行恢复到原形状。其通常以细丝状态用于智能结构，主要适合于低能量要求的低频和高撞击应用。目前形状记忆材料已经形成了相对较大的一个门类，主要分为：形状记忆合金、形状记忆陶瓷、形状记忆聚合物。 （1）形状记忆合金的应用 形状记忆合金主要应用于机械工程、医疗器械、航空航天工业、工程建筑以及日常生活中。在机械工程中领域，形状记忆合金常用来作力敏、热敏驱动元件和阻尼元件，如军用机械形状记忆合金紧固件、温度调节器、金属封隔器、航天器分离机构上的驱动器、紧固铆钉等。形状记忆合金在驱动领域的应用最显著的特点是几乎没有驱动能量的消耗。在医疗器械领域，形状记忆合金广泛应用在制造骨骼、心脏修补器、伤骨固定加压器、栓塞器、各类腔内支架、血栓过滤器、牙科正畸器、手术缝合线和介入导丝等，而其中的Ni-Ti形状记忆合金更是成为记忆合金产业的首选材料。在在航空航天工业领域，形状记忆合金的应用包括飞机的液压系统中的低温配合连接件、直升机的智能水平旋翼、卫星太阳能电池板和卫星太空翼等。美国科罗拉多大学、美国CTD 公司和美国喷气推进实验室利用形状记忆聚合物的回复特性，制作DINO Sat 卫星上面的可展开太阳能电池板，他们在卫星上使用形状记忆复合材料制作成铰链，通过温度的变化来驱动2块铝制偏航板，如图3、图4和图5所示。
图4 DINO Sat 卫星太空翼的驱动器 图5 形状记忆聚合物可变型蒙皮 在工程建筑行业，形状记忆合金可以用于隔音材料及探测地震损害控制，还可以利用形状记忆合金的超弹性效应以及其恢复力大、变形较小的特点来制作具有自修复功能的建筑结构，如将预拉伸的形状记忆合金丝埋入混凝土结构中，使其发生形变后能够具有初步自修复的功能。图6 所示为混凝土自修复结构。日常生活中利用记忆合金推出了不少新颖别致的商品，如眼镜架、汽车的外壳等，在现代机器人领域也常常用来制作机器人的夹持器。 图6 形状记忆合金丝的混凝土自修复结构
（2）形状记忆材料的发展前景 首先，急需开发出大应变、大驱动力、高响应速度、成本低，且性能稳定的新型记忆合金材料。这是形状记忆合金更加广泛、高效地应用于机械工程的基础。其次，形状记忆合金在机械工程中应用的潜力非常大。需要研制开发经济、高效、实用的形状记忆合金驱动或形状记忆合金介入的机械新产品。第三，是将形状记忆合金薄膜用作微机电系统（MEMS）中微器件的深入研究。 3．电流变液 电流变液也是自执行智能材料的一种，是与磁流变体性能极为相似的混合物。这种材料在常态下是流体，其中自由分布着许多细小可极化悬浮颗粒，当这种流体处于电场或磁场中，在电场或磁场的作用下，其中的悬浮颗粒很快形成链状，从而形成具有一定屈服强度的半固体，这样的电流变体或磁流变体具有响应快、阻尼力大、功耗小的特点。 （1）电流变液的应用 近年来，电流变液组分不断改进，电流变液的电流变效应更加明显，同时与电脑结合，可实现实时控制，使得电流变技术在机械工程、汽车工程、控制工程等领域得到广泛应用。在汽车工程方面，根据电流变技术原理，构成液－机耦合的机制，可设计出全新的汽车结构、新颖的汽车转向系统、减震装置、制动装置等。与传统机械产品相比，具有设计简化、应用简便、灵敏度高、噪声小、寿命长、成本低、易于实现电脑控制的特点，从而在汽车传动系统实现重大创新，或将进一步引发一场汽车技术革命。在机械工程方面，电流变流体材料主要用于制作各种力学零件（如无级变速器等）、振动隔离系统（如避振减振装置等）、研究胶体系统的传热和传质现象以及开发双管热交换器和再生热交换器。在智能控制领域，电流变液可作为便于控制、连续可调的阻尼介质, 广泛用于民用航空、机械工程、控制工程和机器人等领域。基于电流变体的阻尼器，通过合理控制电流的大小，调节阻尼器的阻尼特性，扩大了阻尼器的适用范围，改善了阻尼器的减震效果，如图7所示。2012 年，Michael 等人研究数控式电流激励下的电流变体的力学行为，完成了由输入电流波形来控制电流变阻尼器的阻尼比的研究，从而为数控电流在阻尼器的应用提供了可能，如图8所示。 图7 基于电流变体的阻尼器设计 图8 数控式电流变体试验支架 （2）电流变液材料的发展前景 由于制造业需要一种能对电液信息做出超速反应的新型机械系统，而电流变液的反应速度及准确性是任何一种机械技术所无法比拟的，因此电流变液材料在今后将有很好的发展前景。首先是半导体高分子材料研究，这种材料容易调节得和载液相匹配，材料具有优良的可塑性，可制成尺寸任意的微球，所得到的屈服应力也较大，很有发展前途。其次是金属颗粒材料研究，日本已研制成空心的金属微珠，但是表面绝缘层仍然很容易被腐蚀。因此，制备密度适当而且耐磨耐腐蚀的金属膜微粒也是十分吸引人的。此外，其它电流变液材料的研究主要包括铁电体材料、液晶高分子材料、硅铝酸盐材料等。 |
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