材料科学前沿论文

智能材料的结构及应用

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摘要：材料的智能化代表了材料科学发展的最新方向，智能材料是一种能通过系统协调材料内部各种功能并对时间、地点和环境作出反应和发挥功能作用的材料。且能感知外部刺激，能够判断并适当处理且本身可执行的新型功能材料。本文旨在简要介绍智能材料的结构的基础之上，介绍一些它在当今社会不同领域的应用。

关键词：智能材料、结构、应用

材料的发展从之前的单一型、复合型和杂化型，发展为异种材料间的不分界的整体式融合型材料。而近几年所兴起的智能材料更是不同于以往的传统材料，它的仿生系统具有传感、处理和响应功能，而且与机敏材料相比更接近于生命系统。它能够根据外界环境条件的变化程度实现非线性响应从而达到最佳适应的效果。对于智能材料我结合自己听课的内容、书籍及网上资料的查阅写下对智能材料的认识。

智能材料不同于传统的结构材料和功能材料，它模糊了两者之间的界限并加上了信息科学的内容，实现了结构功能化功能智能化。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构成。即：

（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。

因为设计智能材料的两个指导思想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：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：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：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：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：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。

正是由于智能材料的所具备的这些结构和特征，使之在当今社会的各个领域都被应用着，以下便是我通过翻阅书籍以及网上收集的资料中了解到的智能材料在几个领域的应用。

1.在建筑方面的应用：

将碳素纤维和玻璃纤维组合，埋入混凝土中，以检测混凝土的应力状态和形变量。两种纤维在电学性能及力学性能方面的互补性，使纤维在增加强度的同时，还能通过纤维电阻的变化分析出混凝土中的受力状态、形变程度和破坏情况，起到诊断裂纹和警报损伤甚至预测服役寿命的作用。

利用电热效应对混凝土结构加热，研究者称之为自适应混凝土。这些将碳素纤维复合材料与光纤传感器结合形成的结构，可望应用于三峡等大型工程的一些重要位置。

在混凝土中埋入光导纤维或微型电子芯片和传感器，在桥梁出现问题时，能使桥梁自动加固。例如将形状记忆材料或在电压作用下能够从液体转变成固体而自动加固的电流变材料埋入桥梁材料中。埋在混凝土中的传感器得到某部分出现裂纹的信号后，计算机就会发出指令，使事先埋入桥梁中的微小液滴变成固体而自动加固或使形状记忆合金发生相变以增加桥梁强度。

美国弗吉尼亚多技术研究院的机械工程师克雷格・罗杰斯正在研究用智能材料减弱或抵消由地震引起的破坏性振动。他在一种复合材料内植入一些形状记忆合金纤维。形状记忆合金纤维像肌肉一样可以改变其形状和松紧，即当形状记忆合金通电时，温度增加，这时它像绷紧的肌肉一样，增加了梁的刚性并由此控制梁的固有振动频率。可以避免建筑在地震或一些剧烈振动中的破坏或倒塌。

2.用于航空航天方面：

智能材料用于航空航天领域使其可以经受恶劣环境，同时对自己的状况进行自我诊断，能阻止损坏和退化，能自动加固或自动修补裂纹。

智能蒙皮：在航空器复合材料蒙皮中嵌入或在其表面上附着安装各种航空电子器件，使之具有信号检测、处理及传输功能的航空器蒙皮。它可以检测飞行速度、温度、湿度等各种条件，并能对变化的环境做出反应，如抑制噪声和振动、维持座舱的通风、温度恒定、改变机翼形状等。对于材料内部的缺陷和损伤，能进行自诊断，确定缺陷和损伤部位并进行自修复、自适应。

自适应机翼：它是通过智能材料的诱导应变来驱动结构产生所需要的形变。其中，压电材料形状记忆合金以及磁致伸缩材料最具作为自适应机翼变形作动器的潜力。自适应机翼具有翼型自适应能力，根据不同的飞行条件改变机翼形状参数，如机翼的弦高、翼展方向的弯曲和机翼厚度，采用最优方式，使机翼能得到空气动力学方面的好处：它可以有效改善翼面流场、延缓气流分离、增加升力和减少阻力，从而提高飞行器的机动性和载荷能力，抑制气动噪声与振动，并能改善雷达探测的散射截面从而有利于飞行器的隐身。常规的刚性机翼表面导致空气较早的分离，使阻力增加、升力减小。

结构健康监测：采用智能结构的健康监测技术可以在线实时地对结构状态进行监测，进而保证飞机的安全性和可靠性、降低维护费用、延长使用寿命。对飞行器机体结构进行健康监测的主要方法是把传感元件和传感网络粘贴在机体结构表面或埋入机体结构中，实时监测飞行器的应力、应变、温度、损伤等结构健康状态。常用的传感器主要有光纤和压电传感器。也可以把传感器和传感网络植入飞行器蒙皮中，实时监测飞行器表面的应力、应变、温度、损伤等结构健康状态，并能感受到冲击载荷

3.在医学方面的应用：

智能药物释放体系——以智能材料为载体材料，根据病情所引起的化学物质和物理量（信号）的变化自反馈药物释放的通或断特性。例如：（1）智能胰岛素释放体系：通过智能材料可以感知人体血糖浓度水平并做出反应，有效地把糖尿病患者的血糖浓度维持在正常水平。（2）靶向抗癌药物：与癌细胞有很好的相容性和亲和性，能优先与癌细胞结合即能识别癌细胞，从而只对癌细胞产生作用，而不会对正常细胞产生影响。

4.用于服装方面：

智能材料在服装上的应用使得衣服有了不同于传统服装的一些功能。例如：

（1）会“说话”的衣服：它的原理是在绝缘的衣料表层增加一层到点的浸炭纤维网这种特制的双层面料在局部受到外力挤压时，导电纤维网中低电压信号就会

产生波动，与它相连的微处理器即能判断出被触压的部位。根据事先设计好的程序，与其相连的语音合成器就会发出相关的语言信息，让正常人了解聋哑人想说的话。（2）智能作战服：美国的科学家们设计了一种士兵穿的新颖作战服。具有通讯、生化等多种功能。它采用智能纺织材料制成，能识别周围的环境，并主动的适应那种环境。由于其特种纤维中植入了微型发光粒子，它还能通过改变颜色以与环境交融，具有抗热传感器或者抗电磁探测器探测的性能，在整个宽带电磁谱上表现出“变色龙式”的伪装性能。

参考文献：

[1] 杜善义. 智能材料系统和结构[M]. 北京: 科学出版社,2001.

[2] 赵占朝. 光纤传感检测混凝土裂缝及应变研究[D] . 成都: 四川大学,1995.

[3] 谢建宏, 张为公, 梁大开. 智能材料结构的研究现状及未来发展[D]. 南京：材料导报，2006,11（20）.

[4] 黄尚廉, 陈伟民, 等. 光纤应变传感器及其在结构健康监测中的应用[J]. 测控技术, 2004, 23( 5).

[5] 刘果. 基于压电元件的振动主动控制智能材料结构的研究:[博士学位论文] . 南京: 南京航空航天大学,1997.

[6] 张臻,沈亚鹏,王健.形状记忆合金短纤维增强弹塑性基体复合材料的力学行为[N].复合材料学报, 2004,21( 6):173.

[7] 王守德,刘福田,程新. 智能材料及其应用进展[J]. 济南大学学报,2002,16(1) :98

[8]张金文,张虹, 刘蕾, 尹衍升. 中国建材. 2002(1)

[9]陈亚莉.智能材料在飞机结构上的新近应用研究[A].中国材料研讨会[C].北京,1996.

[10]耳 东.智能材料在飞机结构上的应用.航空制造工程,1992,(5):32～34.

[11]张陵，等.智能材料在现代医学中的研究与应用概况。生物医学工程学杂志，1997.14

（1）

[12]肖沪卫，走进前沿技术.上海：上海科学技术文献出版社，2002.7