智能材料的开发与应用

智能材料的开发与应用

智能材料又称机敏材料,其构想来源于仿生。不同于结构材料和功能材料,智能材料能通过自身的感知而获取外界信息,作出判断和处理,发出指令,继而调整自身的状态以适应外界环境的变化,从而实现自检测、自诊断、自调节、自适应、自修复等类似于生物系统的各种特殊功能。但是现有的材料一般比较单一,难以满足智能材料的要求,所以智能材料一般由2种或2种以上的材料复合构成一个智能材料系统。随着现代材料科学、微电子技术和计算机技术的快速发展,智能材料在许多领域已引起人们的兴趣并展现出广阔诱人的发展前景。

1 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[1]。

(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。

(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。

(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。

(5)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。

2 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、无机非金属系智能材料和高分子系智能材料。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[2]。

3 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,在军事、医学、建筑和纺织服装等领域都有着广阔的发展前景。

3.1 军事领域中的应用

智能材料在军事应用中具有很大的潜力,其研究、开发和利用,对未来武器装备的发展将产生重大影响。目前,在各种军事领域中,智能材料的应用主要涉及到以下几个方面。

(1)智能蒙皮

光纤作为智能传感元件用于飞机机翼的智能蒙皮中,或者在武器平台的蒙皮中植入传感元件、驱动元件和微处理控制系统制成的智能蒙皮,可用于预警、隐身和通信[3,4]。1985年美国空军的“预测计划II”首先提出了光纤智能蒙皮/结构的概念。随着进一步的研究发展,1994年美国空军动力飞行实验室进行了结构飞行演示,麦道公司对F-15战斗机的外侧前缘、F-18战斗机的蒙皮进行了智能结构飞行试验。目前,为了未来的弹道导弹监视和预警卫星系统,美国弹道导弹防御局正在研究在复合材料蒙皮中植入核爆光纤传感器、X射线光纤探测器、激光传感器、射频天线等多种传感器的智能蒙皮。这种智能蒙皮可以被安装在天基防御系统空间平台的表面上,实时监视和预警来自敌方的各种威胁,预

计在2010年前后能获得初步应用。美国空军莱特实验室正在把一个承载天线结合到表层结构中,与传统外部嵌置的天线相比,这种一体化结构的天线能够有效提高飞行器的空气动力性能、减轻飞行器结构重量和体积、提高天线性能、降低生产成本和维修费用。该计划预计在2013年进行模型样机的试飞。

(2)结构检测和寿命预测

智能结构可以对构件内部的应变、温度、裂纹进行实时测量,探测其疲劳和受损伤情况,从而实现对结构进行监测和对寿命进行预测。

光纤具有尺寸小、质量轻、可挠曲、耐腐蚀,不受电磁干扰,与复合材料有良好相容性等特点,且灵敏度高、耐高温,易实现远距离测量而受到人们的青睐[5]。目前一些先进国家采用光纤智能材料与结构进行复合材料的状态检测与损伤估计,即在材料或结构的关键部位埋置光纤传感器或其阵列进行全寿命期实时监测、损伤评估和寿命预测[6]。空间站等大型在轨系统采用光纤智能结构,可实时探测由于交会对接碰撞、陨石撞击或其他原因引起的损伤,对损伤进行评估,实施自诊断。压电元件由于既可作传感器又可作驱动器,频响高,处理电路简单,近年来基于压电元件的结构损伤实时在线检测成为国际上的热点。美国斯坦福大学采用分布式压电传感器、驱动器进行了复合材料结构所受冲击机冲击损伤情况的研究,荷兰国家宇航实验室、美国波音公司、美国Sandia及LosAlamos国家实验室等研究机构也都在进行这方面的研究。形状记忆合金(SMA)应用于智能复合材料是由于其在低温下的形状记忆功能和其在高温下的超弹性,应用最为广泛的是NiTi合金。美国应用SMA制成了夹心结构树脂基复合材料用于“柔性机翼”。该机翼在各种飞行速度下可自动保持最佳翼型,提高飞行效率,并可自行抑制出现的危险振动。

(3)减振降噪

智能结构用于航空航天系统可以消除系统的有害振动,减轻对电子系统的干扰,提高系统的可靠性;用于舰艇,可以抑制噪声传播,提高潜艇和军舰的声隐身性能。国外正在研究的具有减振降噪功能的智能结构主要由压电陶瓷、形状记忆合金和电致伸缩等新材料制成。如Lord公司用超磁致伸缩材料研制的一套智能减震系统,安装在飞机发动机支架上,使机舱内的噪声减小20dB以上[7]。将压电材料置入飞机机身内,当飞机遇到强气流而振动时,压电材料便产生电流,使舱壁发生和原来振动方向相反的振动,抵消气流引起的振动噪音[6]。

(4)环境自适应结构

由智能结构制成的自适应飞机机翼,能实时感知外界环境的变化,同时驱动机翼发生弯曲、扭转以改变翼型和攻角,从而获得最佳的气动特性,自适应机翼将大大减轻重量,提高响应速度,减少转弯半径,改善雷达散射截面,增大升阻比。例如当飞机在飞行过程中遇到涡流或猛烈的逆风时,机翼中的智能材料就能迅速变形,并带动机翼改变形状,从而消除涡流或逆风的影响,使飞机仍能平衡地飞行。美国Grumman飞机公司用超磁致伸缩智能型材料作驱动组元制造的自适应机翼模型,其响应速度比传统的液压系统提高了20倍,后缘倾转60%,航程增加了35%。美国波音公司和麻省理工学院联合研究出在桨叶中嵌入智能纤维,可使电致流变体时桨叶扭转变形达几度[7]。

3.2 医学领域中的应用

智能材料与现代医学联系日益密切,一些传统医疗方法得到革命性的改变,而智能材料医疗器械更是显现出其巨大的优势[8]。

(1)人造皮肤

科学家们已经在实验室里开发出了人造骨、人造血管、人造角膜、人造皮肤等人造器官。但安全性一直受到质疑,美国药物及食品管理局迄今为止只批准了人造皮肤这一个产品的市场销售[9]。从20世纪80年代美国麻省理工学院的Bell教授发现纤维细胞可渗入胶原中生长并形成真皮类似结构到后来在此基础上开发的双层人造皮肤Apligraft,人们一直想在这方面有更大的进展和突破[10]。1994年意大利比萨大学的科研人员研制成功一种人造皮肤智能材料,这种材料能够感知到温度、热流的变化以及各种应力的大小,并具有良好的空间分辨力。2004年日本北里大学黑柳能光教授研制出一种新型

人造皮肤,为重度烧伤及褥疮患者带来了福音。该人造皮肤是一层由胶原和透明质酸制成的特殊海绵,海绵上附有志愿者提供的皮肤细胞。随着科技的发展,学科的交叉渗透,相信这种人造皮肤智能材料会得到进一步的开发和利用。

(2)在药物自动投入系统中的应用

智能型水凝胶作为医药控制释放材料是近年研究的热点,如:载胰岛素的PMMA凝胶对胰岛素的释放受电场开-关的控制,具有通断特性[11];温敏水凝胶可作为骨架材料、控释膜、微球及胶团药物载体等应用形式对药物进行控释[12];此外,有科学家正在研制一种能根据血液中葡萄糖浓度而扩张收缩的聚合物,这种聚合物可制成人造胰细胞,注入糖尿病患者的血液中,小球就可模拟胰细胞工作,使病人的血糖浓度始终保持在正常的水平上。

(3)智能材料的抗癌应用

图2所示为一种高分子聚合物抗癌药物胶囊,即药物“导弹”。图中的疏水性药物载体形成了“导弹”的疏水内核,而亲水性聚乙烯二醇则在内核周围形成了一个水化物外壳。这种高分子聚合物药物胶囊是一种智能型药物载体,它能自动避开机体内单核吞噬细胞的捕获而有效到达癌细胞所在地[13]。 20世纪90年代后期,利用对电磁场敏感的铁氧体包覆Ti-Ni形状记忆合金丝,Y.Furuya.等[14]研制出了癌症温热疗法用针。首先,通过导管将这种针植入病人癌变部位,由于形状记忆作用,这种针会发生弯曲变形现象;其次,在通过涡流效应产生高频电磁场的作用下,形状记忆合金针将产生一定的热量而使癌变区得到萎缩[15]。

3.3 建筑领域的应用

智能材料在建筑领域的应用研究也极为广泛,在振动控制、损伤检测、裂纹修复以及智能建筑材料方面均有涉及,并取得了一定的成效。

1994年德国的Calgary市建成了第一座由预应力碳纤维复合材料和钢筋结构组成的桥,在碳纤维中加入光纤布拉格光栅应变传感器构成了智能结构,以检测碳纤维预应力的损失情况。在地震多发区应用智能结构的建筑物通过振动控制,将大大提高建筑物的抗震性[16]。日本已研制成一种形状记忆合金,通过对合金加热收缩来防止裂纹的扩展,用于防止地震等造成的桥梁或大型建筑物的建筑、土木结构的突发性破坏。美国人则通过研究,在建筑物的合成梁中埋入形状记忆合金纤维,在热电控制下,该纤维能像人的肌肉纤维一样产生形状和张力的变化,从而根据建筑物受到的振动改变梁固有刚性和固有振动频率,减小振幅,使框架结构的寿命大大延长。自修复行为是智能材料的一项重要功能。日本东北大学的三桥博三教授将内含粘接剂的空心胶囊或玻璃纤维渗入混凝土材料中,若混凝土在外力作用下发生开裂,则部分胶囊或空心纤维会破裂,粘接液流出后深入裂纹,可使混凝土裂纹重新愈合。

3.4 智能服装和纺织品领域的应用

纤维状智能材料———智能纤维是指当纤维所处的环境发生变化时,纤维的形状、温度、颜色和渗透速率等随之发生敏锐响应,即突跃性变化的纤维。智能纤维能感知环境的变化或刺激(机械、热、化学、光、湿度、电磁等),并能作出反应[19]。一些工业发达国家已相继开发了大批高性能、高功能的新一代化学纤维。由智能纤维做成的智能纺织品和智能服装被一些专家认为是纺织服装工业的未来[20]。 日本曾经掀起形状记忆合金衬衫热,因为该类衬衫的纤维不缩不皱,洗后很快即可干燥,而且不需熨烫即可恢复笔挺的状态,因而受到单身上班族和家庭主妇的青睐[21]。自动调温纺织品是将相变蓄热技术与纺织品制造技术相结合而开发出的一种高技术产品,具有自动吸收、储存、分配和放出热量的功能。可把相变材料经过微胶囊化后结合到纤维中,织成面料做成服装。穿着这种服装的人在滑雪时,身体产生热量,这些热量会由相变材料吸收,停止活动时,身体变冷,相变材料将释放热量,进行温度调节,从而确保穿着者有一个舒适的温度。这种自动调温纺织品可用于服装、室内装饰、床上用品、鞋袜以及医疗用品[22]。

飞利浦公司和Levi’s公司合作生产了一种音乐夹克,是把光纤和软键盘埋入衣料内,并在衣领内植入微型麦克风和立体声耳机,利用光纤将随身携带的电子产品连接起来,实现对手机和播放机的控制,而麦克风和耳机则可与外界对话和收听广播,从而形成了一个简易的网络系统。近年来比较热的智能抗

菌织物主要是在纤维内部包藏了抗菌剂,保障了纤维的耐久性和安全性[23]。也可将压电材料粉末加入到纤维中,压电粉末在受力后发生放电现象可使纤维具有良好的消除疲劳、抗菌、防臭等功能。 4 未来热点应用

智能材料与结构发展异常迅速,虽然还是一个不成熟的领域,但由于应用迫切,其应用研究与基础研究并行发展。作为一种新技术,它在航空航天、国防军事、建筑、纺织、医学、汽车等部门都有着广阔的发展前景,其未来热点应用主要集中在以下几个方面。

(1)仿生学和航空航天 随着智能材料与结构的发展,“个人航空器”取代汽车已不再是科幻小说。目前已存在可调机翼的飞机,但像生命有机体一样可以伸缩和有反应能力的飞机和航天器将是研究的热点。

(2)智能传感器 随着智能材料和人工智能技术特别是微型计算机技术的迅速发展,智能传感器将在各个高新技术领域得到应用。目前研制的智能材料传感器如光纤传感器、压电传感器、微芯片传感器等在各领域的应用已经取得一定成效,未来的智能材料传感器应具有更强大的功能。如:传感器自身能消除异常值和例外值,提供更全面、更真实的信息;除了自适应和自调节功能外,还有一定的智能算法及自学习功能;可通过数字通信接口而实现网络化和远程控制等。

(3)智能化住宅 智能材料的发展,特别是毫米塑料设想的提出,使智能化住宅的梦想离现实越来越近。可任意改变颜色的墙壁,根据人体需要可随时调节温度的水流,随着季节变化可控温度和湿度的房屋,所有的电器都是触摸式的,永远不会再有触电的危险„„。这种理想的智能化住宅将显著提高人们的生活质量。

5 结束语

可用作智能材料的材料种类在不断扩大,所涉及到的各种材料、航空航天、医药学、生物学、信息处理、自动控制和计算机工程等都在快速发展。作为多种材料和高技术的综合与集成,智能材料的研究与开发必将具有美好而广阔的前景。其应用不仅在军事领域,而且在土木建筑、交通、水利、医学、纺织等行业也有着极为广阔的应用前景,与人们生活密切相关。随着智能材料的发展,其广泛应用还可以节省资源、减少污染,具有巨大的经济效益和社会效益。目前世界各国都在对智能材料进行积极的研究开发,其应用均取得了一定的成效,预计2010年前后智能材料将进入应用的高潮。我国各部门和科研单位对智能材料的研究与发展也十分重视,经过大量的工作,取得了一定的成效,有的方面已经走到了世界的前列,但总体研究的发展水平与西方发达国家尚有距离,仍需加大力度、共同努力,逐步缩小差距,迈入世界先进行列。