第三章 智能材料及器件

第三章

智能材料

(IntelligentMaterials)第一節(jié)

智能材料的定義

第二節(jié)

金屬系智能材料及器件

第三節(jié)

無機非金屬系智能材料及器件

第四節(jié)

高分子系智能材料及器件

作業(yè)介紹一種智能器件，從器件的成分、智能結(jié)構(gòu)、工作機理及應(yīng)用四個方面加以說明。

第一節(jié)

智能材料的定義

智能材料是1989年11月由日本高木俊宜教授在日本科學(xué)技術(shù)廳航空、電子等技術(shù)評審會上提出的。它是將信息科學(xué)融合于材料物性的一種材料新構(gòu)思。

一、定義：智能材料(IntelligentMaterials)，就是同時具有感知功能即信號感受功能(傳感器的功能),自己判斷并自己作出結(jié)論的功能(情報信息處理功能)的材料。智能材料（器件）必需具備3個基本要素：

感知、信息處理和執(zhí)行功能。

下圖為智能材料的特征。

智能材料不但可以判斷環(huán)境,而且還可順應(yīng)環(huán)境,即智能材料具有應(yīng)付環(huán)境條件的特性,如自己內(nèi)部診斷,自己修復(fù),應(yīng)付外部刺激自身積極發(fā)生變化。

智能材料的研究與開發(fā)，意味著信息科學(xué)與材料科學(xué)的融合，它體現(xiàn)了工業(yè)材料的真正革命。因為：智能材料是將軟件功能(傳感、處理及執(zhí)行功能)引入材料不同層次的結(jié)構(gòu)中。智能材料：形狀記憶材料、壓電材料(含壓電陶瓷、壓電聚合物）、電致伸縮材料、光纖和電流變體、磁流變體、智能凝膠等。

二、智能結(jié)構(gòu)的分類智能結(jié)構(gòu)可分為主動控制式和被動控制式兩類：主動控制式是高級智能結(jié)構(gòu),它具備先進而復(fù)雜的功能,能自動檢測結(jié)構(gòu)的靜態(tài)、動態(tài)特性,在允許的范圍內(nèi)比較所檢測的結(jié)果,然后進行篩選并確定適當(dāng)?shù)捻憫?yīng),以控制不希望出現(xiàn)的動態(tài)特性。

被動控制式智能結(jié)構(gòu)低級而簡單,僅僅傳輸傳感器所感受到的信息,如應(yīng)變、位移、溫度、壓力與加速度等。

例如：埋在智能結(jié)構(gòu)中的傳感器(通常是光導(dǎo)纖維)可以連續(xù)不斷地監(jiān)測飛機結(jié)構(gòu)或零件的完好狀態(tài)。損傷、沖擊破壞、斷裂以及疲勞裂紋、磨損、振動、分層等信息

三、智能材料的分類目前常按組成智能材料的基材來劃分：

（1）

金屬系智能材料金屬智能材料,主要指形狀記憶合金材料(SMA),形狀記憶合金是一類重要的執(zhí)行器材料,可用其控制振動和結(jié)構(gòu)變形。（2）無機非金屬系智能材料無機非金屬系智能材料主要包括壓電陶瓷、電致伸縮陶瓷,電(磁)流變體等。

（3）高分子系智能材料由于人工合成高分子材料的品種多,范圍廣,所形成的智能材料因此也極其廣泛,其中智能凝膠、藥物控制釋放體系、壓電聚合物、智能膜等是高分子智能材料的重要體現(xiàn)。

下面從構(gòu)成智能材料的基材的角度來詳細討論智能材料的結(jié)構(gòu)、原理、性質(zhì)及應(yīng)用等。

第二節(jié)

金屬系智能材料

智能金屬材料為具有自檢知、自判斷、自行動功能乃至能夠?qū)ψ冃?、振動、損傷等進行適當(dāng)?shù)乜刂频慕饘俨牧?。自檢知——人體的感官功能自判斷——大腦功能自行動——肌肉動作及聲帶發(fā)聲等

通過對材料進行設(shè)計和選擇一些加工手段可實現(xiàn)金屬材料的智能化，但目前還只能說處于初級階段。對應(yīng)

本節(jié)通過自預(yù)警和自修復(fù)功能的構(gòu)思來介紹一些智能金屬材料的設(shè)計。一、自預(yù)警和自修復(fù)生物體在受到損傷時，都具有自預(yù)警和自修復(fù)能力，這是很神奇復(fù)雜的自然現(xiàn)象。構(gòu)思和設(shè)計智能材料也在模仿生物體的這種功能，使其具有自預(yù)警和自修復(fù)功能。

下面從金屬結(jié)構(gòu)材料的損傷機制出發(fā)，對自預(yù)警和自修復(fù)功能做簡要介紹。很多金屬材料中有許多數(shù)十微米以下的微孔或缺陷存在，在使用過程中，材料因產(chǎn)生疲勞裂縫和蠕變變形而受到損傷。

A、缺陷尺寸越大——越易受損傷疲勞破壞應(yīng)力越小。

B、當(dāng)缺陷小于一定的極限尺寸時，疲勞強度就不再受其影響。

因此在實際應(yīng)用中，在保證強度前提下，允許材料內(nèi)部有微孔存在。利用此特性可構(gòu)思損傷自預(yù)警和自修復(fù)智能結(jié)構(gòu)材料。例1：在鋁合金中預(yù)埋粒子（自預(yù)警功能）

材料內(nèi)部的微孔在微孔中預(yù)埋入可產(chǎn)生聲波的物質(zhì)材料受到損傷微孔擴展成較大裂縫時，預(yù)埋物質(zhì)便產(chǎn)生聲響，實現(xiàn)報警。

例2：在鉬鋼中分散一些二氧化鋯（自修復(fù)功能）材料內(nèi)部的微孔在微孔中預(yù)埋入二氧化鋯微粒材料受到損傷微孔擴展成較大裂縫時，二氧化鋯粒子發(fā)生相變，緩解了尖端的應(yīng)力集中，阻斷了損傷，相當(dāng)于對材料進行了修復(fù)。

按照功能性物質(zhì)在材料內(nèi)部分散的尺寸大小，自修復(fù)功能分為三種類型：

微量元素型：

分散尺寸在納米級別乃至原子尺度，加入量很少。

微球型：尺寸在微米級別。

絲線或薄膜型：直徑或厚度在毫米以下。

（1）微量元素型一種不銹鋼材料，代號：SUS304

在高溫高載荷下對于蠕變損傷具有補強修復(fù)功能。當(dāng)材料內(nèi)部微孔加大時，微孔內(nèi)的N和B會向微孔表面擴散并形成一層BN膜。此膜可阻止其他原子的擴散遷移，穩(wěn)定了微孔表面，從而對損傷實現(xiàn)了有效的抑制或補強修復(fù)。

（2）微球型如在Fe-Cr合金中分散有Y2O3微球。

通常，在高溫疲勞裂縫尖端有一層氧化膜，此氧化膜對裂縫的發(fā)展具有一定的抑制作用。當(dāng)Fe-Cr合金中發(fā)生高溫疲勞裂化時，由于硫在基材和氧化膜之間的界面的偏析作用，氧化膜受到破壞剝落，失去抑制疲勞裂化發(fā)展的能力。

當(dāng)Fe-Cr合金中分散有Y2O3微球時，Y2O3微球可捕集有害的硫，從而對氧化膜起到補強的作用，抑制了裂縫尖端的塑性變形。因此，在材料中分散微米級別的功能性微球，可以實現(xiàn)損傷的自修復(fù)。

(3)絲線、薄膜型在材料內(nèi)部埋入功能性絲線或表面涂敷功能性薄膜，可實現(xiàn)自修復(fù)功能。如：將直徑0.38mm的Ti-Ni形狀記憶合金細線埋入聚合物中，當(dāng)絲線附近產(chǎn)生損傷裂縫時，絲線受到作用，電流流通使合金絲線溫度升高，絲線因恢復(fù)記憶形狀而拉緊，從而使裂縫閉合或縮小，這樣就實現(xiàn)了自修復(fù)功能。靜態(tài)破壞試驗表明;此例中裂縫尖端的應(yīng)力由11.2MPa減小到8.8MPa。

二、形狀記憶合金智能材料與器件形狀記憶合金（ShapeMemoryAlloy,SMA)是金屬系智能材料中最閃光的部分,是一種兼有感知和驅(qū)動功能的新型材料。

發(fā)展歷史：國外60年代就開始了研究國內(nèi)70年代開始研究。近年來，研究SMA性能并將其應(yīng)用于智能材料與結(jié)構(gòu)，引起了國內(nèi)外研究工作者的廣泛興趣。

應(yīng)用：廣泛用于多種制動器，航天器天線，管道連接件，醫(yī)療外科的矯正器，醫(yī)用材料，機器人肘關(guān)節(jié)等方面。

中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）材化學(xué)院2023/10/1821

科學(xué)家先把NiTi合金做成所需的天線形狀，然后冷卻到一定溫度，使它變軟，加壓把它彎曲成一個小球，使之在飛船上只占很小的空間。登上月球后，利用陽光照射的溫度，使天線重新展開，恢復(fù)到所需的形狀。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）材化學(xué)院美國載人宇宙飛船2023/10/1822形狀記憶合金1、形狀記憶效應(yīng)

在較低溫度下受力發(fā)生塑性變形后，經(jīng)過加熱，又恢復(fù)到受力前的形狀，即塑性變形因受熱消失。材料似乎對初始形狀有記憶性，故稱這種特性為形狀記憶效應(yīng)，或“SME”。具有形狀記憶效應(yīng)的合金，就是形狀記憶合金，或“SMA”。（1）馬氏體相變馬氏體相變是產(chǎn)生形狀記憶效應(yīng)（ShapeMemoryEffect,SME)的最根本的原因。

原理圖如下：母體高溫下穩(wěn)定晶體結(jié)構(gòu)熱誘發(fā)馬氏體低溫下穩(wěn)定晶體結(jié)構(gòu)加熱

馬氏體態(tài)的形變及加熱后的形狀記憶如下圖所示。

具有形狀記憶效應(yīng)的合金必須滿足下列條件：

①隨著溫度的變化，母相和馬氏體相之間界面的移動是可逆的；②合金中的異類原子必須為有序結(jié)構(gòu)，無論它們是處于母相態(tài)還是馬氏體態(tài)；③

“母相-馬氏體”相變，在晶體學(xué)上是可逆的。

因此并非所有發(fā)生馬氏體相變的合金都呈現(xiàn)SME。如，鋼是發(fā)生馬氏體相變的代表，但它們幾乎不呈現(xiàn)SME。（2）形狀記憶效應(yīng)分類①單程形狀記憶效應(yīng)樣品在高溫下定形后，將母相冷卻變成馬氏體相，然后經(jīng)范性形變，改變形狀，再加熱使其發(fā)生逆轉(zhuǎn)變，當(dāng)馬氏體完全消失時，樣品完全恢復(fù)母相形狀。通常所指的SME就是這種效應(yīng)。

②雙程形狀記憶效應(yīng)合金材料不但對母相有記憶效應(yīng)，而且當(dāng)它從母相再次冷卻成馬氏體時，它還可恢復(fù)馬氏體的形狀。

③全方位形狀記憶效應(yīng)合金材料在實現(xiàn)雙程記憶的同時，繼續(xù)冷卻到更低的溫度，可呈現(xiàn)與高溫時完全相反的形狀，即具有全方位SME。

偽彈性:

指當(dāng)對材料的母相施加壓力誘發(fā)馬氏體并產(chǎn)生應(yīng)變，當(dāng)應(yīng)力除去后，馬氏體消失，應(yīng)變回復(fù)的效應(yīng)。

形狀記憶效應(yīng)與偽彈性的關(guān)系

相同點：都是發(fā)生形狀可逆變化。

相異點：合金材料形變時最初所處的狀態(tài)不同。

SME:材料在馬氏體態(tài)形變后發(fā)生。偽彈性：在母相態(tài)形變時發(fā)生。

3、應(yīng)用形狀記憶效應(yīng)進行智能材料設(shè)計

SMA具有的多種功能：

熱傳感功能在熱彈性相轉(zhuǎn)變過程中存在恢復(fù)力而具有驅(qū)動功能記憶和恢復(fù)功能利用SMA進行智能材料設(shè)計時，使它與其它多種材料進行復(fù)合，可得到具有不同的特殊功能的智能復(fù)合材料。（1）根據(jù)SMA固有的智能材料性質(zhì)設(shè)計

由圖可見，材料性質(zhì)可由環(huán)境溫度和應(yīng)力誘導(dǎo)的馬氏形變力來控制。形狀記憶效應(yīng)超彈性中的晶格畸變機理（2）利用SMA對智能材料與結(jié)構(gòu)進行主動控制

SMA纖維人工傳感器（神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)）因此，智能SMA材料/結(jié)構(gòu)通常為其表面或內(nèi)部含有SMA纖維的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。驅(qū)動器（人造肌肉系統(tǒng)）

當(dāng)由于環(huán)境溫度或應(yīng)力變化而發(fā)生SMA熱彈性相轉(zhuǎn)變（如形狀記憶效應(yīng)）或應(yīng)力誘導(dǎo)相轉(zhuǎn)變（如偽彈性）時，其物理性質(zhì)（如電阻，內(nèi)摩擦，聲發(fā)射等）也發(fā)生變化。這些物理性質(zhì)的信息可通過置于SMA復(fù)合材料中的傳感器進行無損傷測定。一些智能功能（如自增強，剛度變化，形狀自我恢復(fù)，主動阻尼控制等）可由SMA智能復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)主動實現(xiàn)。例、形狀記憶復(fù)合材料

下圖為擠壓鑄造法制造形狀記憶Ti-Ni纖維增強Al基復(fù)合材料。

該復(fù)合材料可作為機械制造材料用于航空領(lǐng)域或作為鐵路中的高速交通工具以及發(fā)動機材料。4、形狀記憶合金智能器件（1）自適應(yīng)SMA復(fù)合材料圓筒下圖為應(yīng)用PMC材料與SMAC層結(jié)合制成自適應(yīng)復(fù)合材料圓筒。自適應(yīng)復(fù)合材料圓筒作用原理：預(yù)先拉緊的SMA纖維通過溫度活化，可控制活化程度增加SMA材料的剛度，并有收縮的趨勢對PMC層施加外部壓力對抗內(nèi)部壓力提高了圓筒的耐高壓能力（2）靜脈通道過濾器

Ni-Ti合金的一個主要性質(zhì)是其生物相容性。

Simon用Ni-Ti作為一種靜脈通道過濾器，來打碎靜脈中的血凝塊，因為這種血塊可導(dǎo)致危及生命的肺栓塞，該項應(yīng)用已被美國食品藥物管理局（FDA）批準(zhǔn)。

下圖為將靜脈通道過濾器置入2.3mm的導(dǎo)管內(nèi)（1），然后受熱膨脹（2，3，4）以用于防止再發(fā)的肺栓塞。

將合金通過導(dǎo)管到達預(yù)定的位置去掉合金的束縛作用，使其膨脹到位。

作用原理：利用合金的超彈性對管壁施加恒定的壓力，使血塊破碎。安裝時需注意：過濾器在解除束縛之前，要處于馬氏體狀態(tài)。

第三節(jié)

無機非金屬系智能材料及器件

目前正在研究的有：智能陶瓷(壓電陶瓷、電致伸縮陶瓷、形狀記憶陶瓷、生物陶瓷)、電(磁)流變體、電致變色材料、壓敏電阻器、光纖智能材料與器件等。

一、壓電材料及器件

壓電元件既能作傳感器又能作驅(qū)動器，實現(xiàn)了傳感元件與動作元件的統(tǒng)一，因此可以方便地應(yīng)用于智能材料與結(jié)構(gòu)中，尤其在材料損傷自診斷、自適應(yīng)，減振與噪聲控制等方面有其獨特的用途。

壓電效應(yīng)：將機械能轉(zhuǎn)換為電能，反之亦然。

1、壓電陶瓷歷史：

1880年發(fā)現(xiàn)壓電效應(yīng)

二次世界大戰(zhàn)：由于軍事需要，開始應(yīng)用BaTiO3壓電陶瓷。

接著研制出Pb（ZrTi）O3，其頻率溫度穩(wěn)定性明顯改善（PZT）。

1965年日本松下電器公司將Pb（Mg1/3Nb2/3）O3作為摻雜物加入到PZT中，定名為PCM。

1969年我國科研人員將Pb（Mn1/3Sb2/3）O3作為摻雜物加入到PZT中，獲得更優(yōu)的性能，為PMS。

（1）BaTiO3壓電陶瓷BaTiO3是最先制得的壓電陶瓷。其結(jié)構(gòu)為鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，如圖所示。Ba2+位于立方體頂點；Ti4+位于立方體體心；O2-位于立方體面心

作用單元：[TiO6]八面體以頂角相連構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，形成Ti-O-Ti直線鏈，有利于偶極矩間力等遠程力的相互作用，也有利于鐵電性的產(chǎn)生。

BaTiO3的熔點是1618度，在室溫下為鐵電體，其單晶的介電常數(shù)各向異性顯著，沿極化軸方向的介電常數(shù)比垂直于極化軸方向小得多；但極化陶瓷的各向異性比單晶小得多。（2）鋯鈦酸鉛（PZT）壓電陶瓷

PZT是由鋯酸鉛和鈦酸鉛構(gòu)成的固溶體壓電陶瓷材料。其結(jié)構(gòu)與BaTiO3的結(jié)構(gòu)相似，但Ti4+或Zr4+稍偏離中心位置，造成正、負電荷中心不重合而具有自發(fā)極化。通常的改性方法為:摻入其它化學(xué)元素。主要有:

A、用Ba2+，Sr2+，Ca2+，Mg2+，置換Pb2+；

B、用等價離子置換Zr4+和Ti4+

，形成固溶體；

C、添加Bi3+，La3+，Nb5+不等價離子，使晶格中生成一定量的正離子缺位；作用:增加材料的介電常數(shù)，介電損耗，降低機械品質(zhì)因素，矯頑電場，及老化。

D、添加K+，F(xiàn)e3+等離子，使晶格中生成一定量的負離子缺位；作用與C正好相反。（3）以PZT為基體的多元系壓電陶瓷

復(fù)合鈣鈦礦鐵電體可與PZT構(gòu)成三元或多元固溶體。

目的：使壓電陶瓷具有較好的燒結(jié)性能，較低的燒結(jié)溫度，可獲得氣孔率小，密度高的均勻陶瓷體，并可提高材料的其它參數(shù)，如機電耦合系數(shù)，介電常數(shù)，機械品質(zhì)因素等。

例1

Pb（Mg1/3Nb2/3）O3-PZT多元系壓電陶瓷是最早發(fā)現(xiàn)的具有鐵電性的多元系固溶體，也是目前應(yīng)用較為廣泛的多元系統(tǒng)。

性能特點：隨Pb（Mg1/3Nb2/3）O3含量的增加，固溶體的介電常數(shù)增大，居里溫度降低，機電耦合系數(shù)減小。

應(yīng)用:拾音器、濾波器、變壓器等。

例2

Pb（Mn1/3Sb2/3）O3-PZT

三元系壓電陶瓷

性能特點：耦合系數(shù)不高，但可以在較寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，并且其機械品質(zhì)因數(shù)高，介質(zhì)損耗小，具有優(yōu)良的穩(wěn)定性。

應(yīng)用：陶瓷濾波器和機械濾波器的換能器。例3

Pb（Sb1/2Nb1/2）O3-PZT

三元系壓電陶瓷

性能特點：諧振頻率溫度穩(wěn)定性好，抗老化性能優(yōu)良。

應(yīng)用：大功率超聲發(fā)生器、高電壓發(fā)生裝置及其它機電換能器，尤其適用于惡劣環(huán)境中的應(yīng)用。二、壓電復(fù)合材料

壓電復(fù)合材料是將壓電陶瓷聚合物按一定的比例，連通方式和空間幾何分布復(fù)合而成，它可以顯著提高材料的壓電性能，具有比常用壓電陶瓷更優(yōu)異的性能，是一類很有發(fā)展前途的新型智能材料。

其中連通方式對性能影響極大。連通方式的表示方法有:0-0,0-1,0-3,1-3等壓電相的連通維數(shù)聚合物相的連通維數(shù)每一個相可以以0，1，2，3維方式自我連通，因此由壓電相和聚合物組成的復(fù)合材料可具有十種連通性。例10-3型壓電復(fù)合材料

組成:壓電陶瓷粉、橡膠、有機硅、環(huán)氧樹脂等混合固化而成，其連通性如圖所示。

制備方法：PZT粉末氯丁橡膠1：1體積混合40℃

碾壓成板狀190℃、13kPa

硫化上電極極化在硅油中即為0-3壓電橡膠復(fù)合材料應(yīng)用:水聽器和壓電橡膠電纜。

例21-3型壓電復(fù)合材料1-3型壓電復(fù)合材料的形狀如下圖。

優(yōu)點：具有低聲阻抗，低介電常數(shù)和一定的柔韌性。

制作:采用排列澆鑄法。

①將一對樣板，同軸固定在支架上，并打出平行孔。②在孔中插入PZT細棒后放入容器，在真空下澆鑄聚合物。③高溫固化后切割成所需薄片，再鍍上電極即可。

三、壓電智能器件

由于壓電材料特殊的電機械性能，具有正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)，因此既可以作為傳感器又可作為執(zhí)行器件，從而廣泛地用于智能結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)中。

1、壓電點火器

材料：壓電陶瓷

組分:PZT或PLZT

應(yīng)用：家用瓦斯?fàn)t的自動點火裝置

裝置圖如下:--++金屬端板銅電極板壓電裝置砧原理：當(dāng)砧受到壓力時，壓電裝置的兩極間便產(chǎn)生數(shù)萬瓦的高壓電。設(shè)點火裝置的表面積為S，長度為l，且施加沖擊力為F時，則輸出電壓為：

V=g33*F/SF影響使用性能的因素①

g33

由公式可知，g33大，則輸出電壓V也大。所以要選用電壓輸出系數(shù)大的材料。②壓電材料要能耐疲勞，而且也允許打擊造成的機械性損壞。目前所用的壓電材料，如PZT陶瓷，機械強度很高。一般能使用十萬次以上。也就是說如果每天用30次，則可使用10年，這樣一來，壓電性點火器幾乎是半永久性元件，不需售后服務(wù)。下面將壓電點火器和電池點火器進行比較。

電池點火法壓電點火法點火方法燈絲的發(fā)熱電極間的高電壓火花產(chǎn)生的溫度數(shù)百度數(shù)千度產(chǎn)生的電壓

3V10，000V以上耐久性燈絲會腐蝕、燒壞半永久性

2、下圖是在日本廣為流行的Pachinko游戲機。它是由若干多層鋯鈦酸鉛（PZT）壓電陶瓷塊構(gòu)成的。

在日本每年有178億日元花費在Pachinko上，這是一種日本人很上癮的游戲。這筆錢相當(dāng)于政府預(yù)算的1/4，比日本汽車工業(yè)的收入還多。這種游戲在類似于彈球機的設(shè)備上操作。Pachinko比在美國玩彩票還容易，Pachinko營業(yè)室?guī)缀踉谒蟹泵Φ慕值郎隙伎梢哉业?，?4500個營業(yè)室和310萬個游戲機在運營?！陡２妓埂冯s志將一位Pachinko游戲機制造公司的所有者KenkichiNakajima列為全世界最富有的人之一。

——摘自《消費者行為學(xué)/市場營銷學(xué)簡明譯叢》2001

清華大學(xué)出版社作用原理：當(dāng)金屬球落到陶瓷壓電塊上時，球的沖擊力產(chǎn)生了壓電電壓，電壓脈沖通過反饋系統(tǒng)加以放大和調(diào)整，然后返回施加到壓電塊的執(zhí)行器部分，使陶瓷塊突然膨脹變形，把金屬球拋出壓電塊所在的孔，使球沿著螺旋軌道爬升，落進另一孔內(nèi)，再盤旋上升，如此周而復(fù)始。

3、智能蒙皮作用：降低飛行器和潛水器高速運動時的噪聲，防止發(fā)生紊流，以提高運行速度，減少紅外輻射和聲輻射，達到隱形目的。

隱形原理：

智能蒙皮表面為一層壓電陶瓷傳感器

感受到的表面壓力變化

如紊流電子反饋放大系統(tǒng)

驅(qū)動器

施加

發(fā)生形變，消除紊流

多層壓電陶瓷構(gòu)成四、光纖智能材料與器件發(fā)展歷史：

20世紀(jì)70年代

美國康涅狄格州的聯(lián)合技術(shù)研究中心開始研究用于復(fù)合材料的光纖串?dāng)_溫度傳感器。

1989年提出PENVAL計劃其目標(biāo)是在2002年—2003年完成整體裝有光纖智能蒙皮飛機的飛行試驗。目前，它已用在飛機、火箭等航空航天器中。

下面介紹幾種光纖傳感器件并重點介紹在智能材料與結(jié)構(gòu)中有著巨大潛力的光纖布喇格光柵器件和波導(dǎo)器件。

1、干涉型埋入式光纖應(yīng)變傳感器它分為：

邁克爾遜干涉光纖應(yīng)變傳感器馬赫-曾德爾干涉光纖應(yīng)變傳感器法布里-珀羅腔（F-P）干涉型應(yīng)變傳感器特點：靈敏度高，可測量結(jié)構(gòu)的局部應(yīng)變。（1）

邁克爾遜干涉光纖應(yīng)變傳感器

（a）在復(fù)合材料中埋入邁克爾遜單向應(yīng)變光纖傳感器示意圖（b）測量原理：光線進入?yún)⒖脊饫w后經(jīng)耦合器進入測量光纖，兩束反射光耦合后產(chǎn)生干涉，干涉后的光強由光敏管接收。結(jié)構(gòu)變形后，傳播光的相位會發(fā)生變化，相位差取決于標(biāo)距L內(nèi)光纖所受的應(yīng)變值，干涉后的光強的變化也受L內(nèi)應(yīng)變值的調(diào)制。根據(jù)光強的變化量就可知應(yīng)變的大小。光源鍍銀鏡面（c）測量點的應(yīng)變狀態(tài)的埋入式光纖應(yīng)變基的示意圖它由三根光纖組合而成，其中一根為參考光纖，另外兩根為測量光纖。采用激光二極管為光源，并使用兩只耦合器將光分別耦合進測量光纖，然后根據(jù)兩根光纖輸出端的光強值，即可算出兩個應(yīng)變值，從而得出點的應(yīng)力狀態(tài)。（2）馬赫-曾德爾干涉光纖應(yīng)變傳感器原理圖激光二極管發(fā)出光經(jīng)耦合器1分成兩束光進入傳感光纖和參考光纖傳感光纖隨著結(jié)構(gòu)件變形在耦合器2處發(fā)生干涉后進入探測器處理信號（3）法布里-珀羅腔（F-P）干涉型應(yīng)變傳感器

根據(jù)F-P腔的不同，分為兩類：

功能型：把一段光纖兩端做成鏡面作為傳感腔，然后將這段帶有端面鏡的光纖和傳導(dǎo)光纖連接起來，輸出信號與傳感腔變形長度有關(guān)。

非功能型：以端面鏡之間的空氣隙作為干涉腔，輸出信號與兩端面鏡間的距離有關(guān)。

根據(jù)光線傳輸方式的不同，分為透射式和反射式兩種。

圖（a）為光纖透射式F-P傳感器原理圖圖（b）為光纖反射式F-P傳感器原理圖利用在F-P腔中多次反射后的透射光進行干涉得到的利用F-P腔中多次反射光干涉后得到的F-P腔F-P腔

測量原理：制作一個微小的F-P干涉腔，并將其埋設(shè)或粘貼在被測應(yīng)變處，將光源的光導(dǎo)入F-P腔，并從F-P腔導(dǎo)出。由于結(jié)構(gòu)的應(yīng)變使F-P腔長度改變，即可得到改變后的干涉信號，這就是F-P光纖應(yīng)變傳感器的原理。下圖是三種埋入式F-P光纖應(yīng)變傳感器的傳感腔組成（a）兩根單模光纖端面之間留有一段距離，構(gòu)成傳感腔。（b）將光纖兩端面之間噴涂氧化鈦，作為傳感腔，將該段光纖與傳感光纖融接串聯(lián)在一起。（c）在光纖芯的一部分鍍上金屬膜和端面鏡組成傳感腔。下圖是一種F-P光纖應(yīng)變及超聲波測量傳感器采用一根單模光纖和一根多模光纖，依靠其端面形成F-P腔，并組成傳感器，多模光纖僅作為光學(xué)反射器，兩光纖安裝在一個空心管中對準(zhǔn)纖芯。使用時，將它埋入材料中或安裝在材料表面。

下圖是雙F-P腔式的應(yīng)變傳感器采用兩路傳感光纖，使它們輸出信號的相位差為90℃

，這種傳感器優(yōu)點是能夠方便地判斷出應(yīng)變的方向，具有實用價值。2、偏振型埋入式光纖應(yīng)變傳感器下圖是偏振型光纖應(yīng)變傳感器的原理圖。光源聚焦當(dāng)復(fù)合材料出現(xiàn)應(yīng)變后，光纖纖芯的折射率改變，產(chǎn)生雙折射，從而改變在光纖中傳播的偏振光的相位，在光纖出口處光相位的改變轉(zhuǎn)換為光強的改變，通過透鏡、檢偏鏡，由光敏管測出。3、準(zhǔn)分布式光纖應(yīng)變傳感器系統(tǒng)

對于智能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，不僅要監(jiān)測某一點處的物理量狀態(tài)，更需要監(jiān)測一定面積場的物理量分布，準(zhǔn)分布和分布式光纖傳感器具有這種功能。為此，國內(nèi)外非常重視這項技術(shù)。

準(zhǔn)分布式光纖應(yīng)變傳感器系統(tǒng)是由許多分散的光纖傳感器組成，它們被稱為“多路陣列”或“點傳感器陣列”。

優(yōu)點：只需要分辨來自各個傳感器的信號來得到位置信息而不用在連續(xù)的時域或頻域中識別。

缺點：為了合適地確定離散的傳感器的位置，必須首先對應(yīng)變場的性質(zhì)做出假設(shè)，而這些假設(shè)正確與否直接關(guān)系到測量結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性。

例：準(zhǔn)分布干涉應(yīng)變傳感器系統(tǒng)

每一個離散的傳感器本身都是一個馬赫-曾德爾干涉計，每個光路的長度不同，這些光路長度之間的差別都大于光源的相干長度，得到的信號由對應(yīng)的干涉計進行解調(diào)。測量時，構(gòu)件應(yīng)變將使測量光纖上的光程差發(fā)生變化，光電二極管的輸出也將發(fā)生變化，每一臺檢測器都只記錄相應(yīng)傳感器的輸出，也可以使用一個解調(diào)馬赫-曾德爾干涉儀進行掃描，輪流檢測。第四節(jié)

高分子系智能材料

智能高分子材料品種多，應(yīng)用領(lǐng)域廣，研究手段新，呈蓬勃發(fā)展趨勢。本節(jié)將重點介紹智能藥物釋放體系。

近幾十年來，藥學(xué)研究有了很大的發(fā)展：

一方面：通過有機合成或生物技術(shù)研究出許多令人注目的生理活性物質(zhì)；

另一方面：不斷改進給藥方式，即把生理活性物質(zhì)做成合適的劑型，如片劑、溶液、膠囊、針劑等，以便藥物能充分發(fā)揮潛在的作用。因此，藥物治療應(yīng)包括藥物的種類和給藥方式兩個方面。

目前，工業(yè)上合成一種新藥物或?qū)ΜF(xiàn)有的藥物進行改性都要付出巨大的代價，相比之下，用現(xiàn)成的工藝來改進給藥方式所需的代價則要少得多，因此醫(yī)藥界對藥物劑型的研究開發(fā)非常重視。

目前的給藥方式存在缺陷：只能使人體內(nèi)的藥物濃度維持較短時間，血液或體內(nèi)組織中的藥物濃度上下波動較大，時常超過藥物最高耐受劑量或低于最低有效劑量。導(dǎo)致的后果：不但降低了療效，而且還可能產(chǎn)生副作用。

藥物釋放體系（DrugDeliverySystem,簡稱DDS）代替常規(guī)藥物制劑的優(yōu)點：

A、能夠在固定時間內(nèi)，按照預(yù)定方向向全身或某一特定器官連續(xù)釋放一種或多種藥物。

B、在一段固定時間內(nèi)，使藥物在血液和組織中的濃度能穩(wěn)定于某一適當(dāng)水平。該濃度是使治療作用盡可能大而副作用盡可能小的最佳水平。

藥物釋放體系應(yīng)具備以下兩種功能：

A、藥物控制釋放功能，使特定部位的血藥濃度維持在要求的合理范圍內(nèi)；

B、藥物靶向釋放功能，使藥物只輸送到治療目標(biāo)部位。

新華網(wǎng)北京2004年9月25日電美國科學(xué)家設(shè)計出一種“智能導(dǎo)彈”藥物分子，能殺死癌細胞而不損害健康組織，用它治療前列腺癌和乳腺癌的動物實驗已經(jīng)取得成功。據(jù)美國《科學(xué)》雜志網(wǎng)站24日報道，這種“智能導(dǎo)彈”由兩部分組成，一部分是負責(zé)使癌細胞自殺的蛋白質(zhì)，另一部分是起“精確制導(dǎo)”作用的氨基酸短鏈，它能使藥物準(zhǔn)確作用于癌細胞。癌細胞經(jīng)?；祀s在健康組織中，一般化療方法在殺死癌細胞的同時，也不可避免地損壞了健康組織。為了設(shè)計出只殺死癌細胞的藥物，科學(xué)家正在尋找癌細胞獨有的分子，希望以這些分子為“靶子”，引導(dǎo)藥物到達癌細胞。美國得克薩斯大學(xué)的兩位癌癥生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)，前列腺癌細胞帶有一種稱為GRP78的蛋白質(zhì)，而健康細胞不會產(chǎn)生該蛋白質(zhì)。此外，該蛋白質(zhì)位于癌細胞的表面，藥物很容易與它結(jié)合，這使它成為一個很好的“靶子”。

科學(xué)家在09年9月號的《癌細胞》雜志上報告說，他們設(shè)計了一種只與GRP78蛋白質(zhì)結(jié)合的氨基酸短鏈，將它附著在一種螺旋形的蛋白質(zhì)上，形成既有“制導(dǎo)裝置”又有“殺傷裝置”的“智能導(dǎo)彈”分子。它注入腫瘤部位后，會在氨基酸短鏈的作用下與癌細胞結(jié)合，然后螺旋形蛋白質(zhì)進入癌細胞內(nèi)部，使癌細胞自殺。用移植了人類前列腺腫瘤組織的實驗鼠進行的實驗顯示，這種“智能導(dǎo)彈”分子準(zhǔn)確地尋找到并殺死了癌細胞，而沒有對機體的其他任何組織造成損害。它對乳腺癌也有同樣的效果?？茖W(xué)家下一步將在人身上進行臨床試驗，確認(rèn)新藥的安全性。中英聯(lián)手研制“智能藥物”更新：2006-10-28來源：羊城晚報

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“中國南方醫(yī)科大學(xué)－英國倫敦大學(xué)瑪麗女王學(xué)院生物工程與材料聯(lián)合研究中心”昨日在南方醫(yī)科大學(xué)正式掛牌。據(jù)了解，將有英國皇家科學(xué)院和皇家工程院院士加盟該中心。

據(jù)介紹，該中心未來一段時間將著重研制“生物智能藥物”，特別是用于腫瘤患者的藥物。以前很多藥物除了對患處的作用，同時會傷害身體其他器官，而“生物智能藥物”則有“靶向”治療的作用，減少對身體其他器官的傷害。

一、藥物釋放體系的載體材料

在藥物釋放體系中，作為藥物載體的生物材料起著關(guān)鍵的作用。是藥物制劑具有特定功能的最重要因素。

其作用為：

藥物緩釋導(dǎo)向用藥方便

載體材料大都是高分子材料，包括：

天然高分子材料改性的天然高分子材料合成的高分子材料

這些高分子材料應(yīng)滿足以下條件：

①具有生物相容性和生物降解性即載體高分子能在體內(nèi)降解為小分子化合物而被基體代謝、吸收或排泄。如果不能降解，則需要在藥物釋放后通過外科手術(shù)取出。

②高分子降解產(chǎn)物須無毒和不發(fā)生炎癥反應(yīng)。

③高分子的降解必須發(fā)生在一個合理的時間范圍內(nèi)。

生物降解性高分子載體材料

與一般高分子材料作為藥物載體不同：一般高分子載體，隨著載體中藥物含量的減少，藥物的釋放速率變慢，無法保證藥物的恒量釋放。生物降解性高分子載體，隨著高分子材料在體內(nèi)的降解，藥物載體的結(jié)構(gòu)逐漸變得疏松，使載體內(nèi)含的藥物從中溶解和擴散的阻力變小，藥物釋放速率加快。當(dāng)藥物釋放速率的加快正好與含藥量減少所引起的釋藥速率變慢相抵時，就實現(xiàn)了藥物的長期恒量釋放。另外，植入人體內(nèi)，不用手術(shù)取出。二、控制釋放機理高分子控制釋放體系中，擴散是控制釋放的主要過程，它對藥物釋放行為起著重要的作用。高分子分子鏈間可形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，藥物需經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)密度漲落的間隙擴散、滲透。

釋放速率取決于擴散物在擴散體系中的擴散系數(shù)?？山到飧叻肿俞尫艡C理：

擴散、滲透高分子的生物降解

前者取決于擴散系數(shù)。后者取決于降解控制。

同時控制三、藥物控制釋放體系在臨床中的應(yīng)用

根據(jù)給藥途徑的不同，有不同的藥物控制釋放體系。

1、口服藥物釋放體系

2、經(jīng)皮釋放體系

3、植入式藥物釋放體系

4、皮下注射藥物釋放體系四、智能藥物釋放體系

特點：

①對藥物的投放，從用量、時間和空間上進行控制。②不僅具有一般控制體系的優(yōu)點，而且最重要的是能根據(jù)病灶信號而控制藥物的脈沖釋放。③使用智能高分子材料作為藥物釋放載體，并集傳感、處理與技術(shù)功能于一體，就能感知外界刺激從而做出響應(yīng)，使藥物在需要時才被釋放，無需要時藥物停止釋放，從而達到藥物控制釋放智能化的目的。

由于體系對刺激信號的感知和響應(yīng)的敏感性不同，其智能化的程度各異，下面將從材料角度，對能響應(yīng)各種刺激信號的藥物控制釋放體系，按刺激信號的類型分別進行介紹。

1、化學(xué)刺激響應(yīng)體系化學(xué)信號響應(yīng)體系通常有兩種類型：一種是交換型，另一種是轉(zhuǎn)換型。下面分別介紹幾種藥物釋放體系

以治療糖尿病為例。胰島素是治療糖尿病的有效藥物，但許多研究者認(rèn)為，傳統(tǒng)的胰島素注射治療不能避免視網(wǎng)膜損傷、神經(jīng)性疾病、腎病等糖尿病并發(fā)癥的發(fā)生。因此，人們一直在尋求新的治療方法，在對糖尿病的治療中已經(jīng)采用了多種手段，如微囊化的活性肝細胞、含葡萄糖傳感器的電機械系統(tǒng)、胰島素注射系統(tǒng)以及隨葡萄糖濃度變化調(diào)控胰島素釋放速率的化學(xué)信號響應(yīng)體系。下面介紹轉(zhuǎn)換型胰島素響應(yīng)葡萄糖釋放體系

葡萄糖葡萄糖氧化酶葡萄糖酸過氧化氫+葡萄糖濃度信號轉(zhuǎn)換為pH變化氧化反應(yīng)信號+通過對這些信號的響應(yīng)控制釋放胰島素

利用pH變化控制胰島素的釋放有五種具體實施途徑。氧化酶將葡萄糖氧化為葡萄糖酸后，pH值降低，并導(dǎo)致以下變化，促使胰島素釋放：

①陽離子水凝膠溶脹；②聚羧酸接枝的微孔膜表面收縮，微孔張開；③脂質(zhì)體遭到破壞；④經(jīng)過修飾處理的胰島素在該pH值下可溶解；⑤高分子基材降解。

有研究者將葡萄糖氧化酶（GOD）固定于接枝聚丙烯酸的纖維素微孔膜上：

無葡萄糖時，聚丙烯酸解離，接枝鏈伸展，膜孔徑較小，胰島素不易滲出。

有葡萄糖時，GOD使葡萄糖氧化成葡萄糖酸，結(jié)果pH降低，聚丙烯酸分子鏈?zhǔn)湛s，膜孔徑變大，胰島素通透性增大。pH響應(yīng)性藥物釋放體系

機理:

含有弱酸或弱堿基團的高分子水凝膠，其溶脹體積會隨