智能材料概述

1智能材料概述

21.1引言材料是人類進(jìn)步的里程碑，是各個(gè)歷史時(shí)期技術(shù)革命的重要支柱。一種新材料的誕生往往會(huì)作為先行使產(chǎn)業(yè)和社會(huì)發(fā)生巨大變革。學(xué)科的交叉、融合對(duì)構(gòu)材料科學(xué)與工程的發(fā)展提供了新的機(jī)遇。計(jì)算機(jī)技術(shù)用于材料設(shè)計(jì)，同步輻射、白由電子激光和掃描隧道顯微鏡以及原子力顯微鏡等先進(jìn)技術(shù)。使材料科學(xué)研究進(jìn)入介觀體系和納米尺度?？茖W(xué)技術(shù)的發(fā)展，需要材料能適應(yīng)愈益復(fù)雜的環(huán)境．如飛機(jī)的失事和重要結(jié)構(gòu)的損毀，促使科學(xué)家構(gòu)思具有自預(yù)警和自修復(fù)功能的新型材料、系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)，期望材料本身變得很聰明，其性能可以適應(yīng)環(huán)境而變化。3材料發(fā)展的總趨勢(shì)：高性能化、多功能化、復(fù)合化、精細(xì)化、智能化性能—材料對(duì)外部作用的抵抗特性功能—從外部向材料輸入一種信號(hào)時(shí)，材料內(nèi)部發(fā)生質(zhì)和量的變化而產(chǎn)生輸出另一種信號(hào)的特性智能—一切生命體皆具備的對(duì)外界刺激的反應(yīng)能力。

動(dòng)物：變色龍皮膚、烏賊、貝殼、海參、貓眼的瞳孔；

植物：含羞草、向日葵；

能接受、感知信號(hào)，且能處理，進(jìn)而做出適時(shí)的響應(yīng)，即執(zhí)行。4一般認(rèn)為，智能是相對(duì)人和動(dòng)物而言的，是一種能獲取、存貯知識(shí)并運(yùn)用知識(shí)解決問題的能力。顧名思義，所謂智能材料與結(jié)構(gòu)即一種對(duì)所給的特別的激勵(lì)能進(jìn)行判別并按預(yù)定方式做出反應(yīng)的材料。這樣的材料可以是自然產(chǎn)生的或由人工引入多種性能產(chǎn)生的智能系統(tǒng)，智能材料在一定意義上具有感知功能、信息處理功能和執(zhí)行功能，即具有獲取、識(shí)別、處理和執(zhí)行信息之能力，并且可以自動(dòng)調(diào)解并具有自診斷、自適應(yīng)、自修復(fù)、損傷抑制、壽命預(yù)報(bào)等能力，表現(xiàn)出動(dòng)態(tài)的自適應(yīng)性。5l989年日本高木俊宜智能材料(intelligentmaterials)其它提法：smartmaterials;intelligentmaterials;smartstructures;intelligentstructures，adaptivestructures；智能材料、機(jī)敏材料、聰敏材料、智能結(jié)構(gòu)、靈巧結(jié)構(gòu)、自適應(yīng)結(jié)構(gòu)“smart”：靈活、機(jī)敏、迅速感覺、機(jī)智、聰敏等；“intelligent”：學(xué)習(xí)、預(yù)測(cè)、建立關(guān)系、推理、決策等。“intelligentmaterials”更復(fù)雜和高級(jí)，是仿生命功能的材料和結(jié)構(gòu)。1992年日本第一屆國(guó)際智能材料會(huì)議。6智能材料來(lái)源于功能材料功能材料是智能材料的基礎(chǔ)材料的聰明程度:智能材料功能材料普通材料功能材料是指那些具有優(yōu)良的電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、力學(xué)、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)功能，特殊的物理、化學(xué)、生物學(xué)效應(yīng)，能完成功能相互轉(zhuǎn)化，主要用來(lái)制造各種功能元器件而被廣泛應(yīng)用于各類高科技領(lǐng)域的高新技術(shù)材料。

7功能材料驅(qū)動(dòng)材料：可根據(jù)溫度、電場(chǎng)或磁場(chǎng)的變化改變自身的形狀、尺寸、位置、剛性、阻尼、內(nèi)耗或結(jié)構(gòu)等，對(duì)環(huán)境具有自適應(yīng)功能，——制成各種執(zhí)行器；感知材料：能夠感知來(lái)自外界或內(nèi)部的刺激強(qiáng)度及變化(如應(yīng)力、應(yīng)變、熱、光、電、磁、化學(xué)和輻射等)，——制成各種傳感器。8機(jī)敏材料兼具敏感（傳感）材料與驅(qū)動(dòng)材料之特征，即同時(shí)具有感知與驅(qū)動(dòng)功能的材料。智能材料機(jī)敏材料和控制系統(tǒng)相結(jié)合的產(chǎn)物，集傳感、控制和驅(qū)動(dòng)三種職能于一身，是傳感材料、驅(qū)動(dòng)材料和控制材料（系統(tǒng)）的有機(jī)合成。自身不具備信息處理和反饋機(jī)制，不具備順應(yīng)環(huán)境的自適應(yīng)性?？赏ㄟ^自身對(duì)信息進(jìn)行感知、處理并將指令反饋給驅(qū)動(dòng)器執(zhí)行和完成相應(yīng)的動(dòng)作，對(duì)環(huán)境作出靈敏、恰當(dāng)?shù)姆磻?yīng)。9目前所講的智能材料，通常是宏觀意義上的智能材料，即所謂智能材料系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)，它包括以下五部分：母體材料、傳感器、作動(dòng)器、通信網(wǎng)絡(luò)、中央處理器等，如圖所示。10工作原理外界環(huán)境發(fā)生變化

傳感器收集變化信息

通信網(wǎng)絡(luò)

中央處理器分析處理發(fā)出指令

作動(dòng)器執(zhí)行指令

結(jié)構(gòu)狀態(tài)發(fā)生變化適應(yīng)環(huán)境11智能材料系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)●一個(gè)由多種材料組元通過有機(jī)的緊密復(fù)合或嚴(yán)格的科學(xué)組裝而構(gòu)成的材料系統(tǒng)，與結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，互為一體。●多學(xué)科高度發(fā)展和相互交叉的產(chǎn)物：材料科學(xué)、人工智能、信息科學(xué)、機(jī)械科學(xué)、生物科學(xué)、化學(xué)和物理。——智能材料12智能材料和結(jié)構(gòu)的研究目前主要有兩條技術(shù)路線。一條是美國(guó)提出的將傳感器、處理器和致動(dòng)器埋入結(jié)構(gòu)中，通過高度集成制造智能結(jié)構(gòu)，即所謂智能結(jié)構(gòu)。另一條是日本提出的將上述智能結(jié)構(gòu)中的傳感器、致動(dòng)器、處理器與結(jié)構(gòu)的宏觀結(jié)合變?yōu)樵谠?、分子層次上的微觀“組裝”，從而得到更為均勻的物質(zhì)材料。如圖所示，即所謂智能材料。13創(chuàng)造人工原子并實(shí)現(xiàn)其三維任意排列，是人工材料的極限，也是智能材料的最終目標(biāo)。14國(guó)外在微觀水平智能材料的制備方面至少采用丁兩種不同的思路。其一是以生物材料為藍(lán)本，力圖將傳感、處理和致動(dòng)功能結(jié)合在一個(gè)集團(tuán)中形成一種均勻的材料，其類似一個(gè)神經(jīng)元(見圖1.5(a))制備智能材料的另一思路是采用集成電路的制備思想通過在原子或分子水平上實(shí)現(xiàn)材料的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)控制，來(lái)達(dá)到傳感、處理和致動(dòng)功能的系統(tǒng)化并制備出具有信息和軟件內(nèi)涵的材料按照這種思路可制備復(fù)雜、多層、高度有秩的智能材料(見圖1.5(b))。1516智能材料與結(jié)構(gòu)的研究?jī)?nèi)容(1)傳感器和作動(dòng)器材料的研究新型傳感器和作動(dòng)器材料的研究，是智能材料系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)研究的基礎(chǔ)，它的研究進(jìn)展很人程度上決定了智能材料系統(tǒng)和和結(jié)構(gòu)的實(shí)用化進(jìn)程17（2）智能材料系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和模擬包括智能材料與結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、分析和性能模擬技術(shù)、傳感器和作動(dòng)器的優(yōu)化鋪放等（3）信號(hào)處理方法及高速中央處理器的研究包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制、小波分析等人工智能信號(hào)處理技術(shù)以及高速并行處理芯片的研究。（4）智能材料的集成制造技術(shù)研究包括智能材料的傳感器和作動(dòng)器的置入技術(shù)、組裝及自動(dòng)化生產(chǎn)技術(shù)。18（5）智能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的應(yīng)用研究智能復(fù)合材料成型工藝的在線監(jiān)控技術(shù)智能結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控系統(tǒng)的研究智能結(jié)構(gòu)振動(dòng)主動(dòng)控制系統(tǒng)的研究形狀自適應(yīng)改變智能結(jié)構(gòu)的研究智能蒙皮的研究191.2智能材料的內(nèi)涵、定義和特征1.2.1智能材料的定義高木俊宜:

能夠感知環(huán)境變化，并通過自我判斷和結(jié)論而實(shí)現(xiàn)指令和執(zhí)行的新材料。楊大智：

模仿生命系統(tǒng)，能感知環(huán)境變化，并能實(shí)時(shí)的改變自身的一種或多種性能參數(shù)，作出所期望的、能與變化后的環(huán)境相適應(yīng)的復(fù)合材料或材料的復(fù)合。20師昌緒院士：

模仿生命系統(tǒng)，能感知外界環(huán)境或內(nèi)部狀態(tài)所發(fā)生的變化，而且通過材料自身的或外界的某種反饋機(jī)制，能夠適時(shí)地將材料的一種或多種性質(zhì)改變，作出所期望的某種響應(yīng)的材料。三要素：感知、反饋和響應(yīng)。21863新材料領(lǐng)域?qū)＜椅瘑T會(huì)：對(duì)使用環(huán)境敏感而且能對(duì)環(huán)境變化作出靈活反應(yīng)的材料。更確切地說(shuō)，智能材料是一類集傳感、控制、驅(qū)動(dòng)(執(zhí)行)等功能于一體的機(jī)敏或智能材料—結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，它能適時(shí)地感知與響應(yīng)外界環(huán)境的變化，實(shí)現(xiàn)自檢測(cè)、自診斷、自修復(fù)、自適應(yīng)等多種功能。共同點(diǎn)：智能材料應(yīng)當(dāng)具有感知、判斷和響應(yīng)的功能。221.2.2智能材料的內(nèi)涵具有感知功能，能夠檢測(cè)并且可以識(shí)別外界（或者內(nèi)部）的刺激強(qiáng)度，如電、光、熱、應(yīng)力、應(yīng)變、化學(xué)、核輻射等；具有驅(qū)動(dòng)功能，能夠響應(yīng)外界變化；能夠按照設(shè)定的方式選擇和控制響應(yīng)；反應(yīng)比較靈敏、及時(shí)和恰當(dāng)；當(dāng)外部刺激消除后，能夠迅速恢復(fù)到原始狀態(tài)。231.2.3智能材料的特征

(1)傳感功能：能感知自身所處的環(huán)境與條件，如負(fù)載、應(yīng)力、應(yīng)變、振動(dòng)、熱、光、電、磁、化學(xué)、核輻射等的強(qiáng)度及其變化。

(2)反饋功能：能通過傳感神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)系統(tǒng)的輸入和輸出信息進(jìn)行比較，并將結(jié)果提供給控制系統(tǒng)，從而獲得理想的功能。

(3)信息積累和識(shí)別功能：能積累信息，能識(shí)別和區(qū)分傳感網(wǎng)絡(luò)得到的各種信息，并進(jìn)行分析和解釋。從仿生學(xué)的觀點(diǎn)出發(fā)，智能材料內(nèi)部應(yīng)

具有或部分具有以下生物功能：24(4)學(xué)習(xí)能力和預(yù)見性功能：能通過對(duì)過去經(jīng)驗(yàn)的收集，對(duì)外部刺激作出適當(dāng)反應(yīng)，并可預(yù)見未來(lái)并采取適當(dāng)?shù)男袆?dòng)。(5)響應(yīng)性功能：能根據(jù)環(huán)境變化適時(shí)地動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)自身并作出反應(yīng)。(6)自修復(fù)功能：能通過自生長(zhǎng)或原位復(fù)合等再生機(jī)制來(lái)修補(bǔ)某些局部破損。(7)自診斷功能：能對(duì)現(xiàn)在情況和過去情況作比較，從而能對(duì)諸如故障及判斷失誤等問題進(jìn)行自診斷和校正。(8)自動(dòng)動(dòng)態(tài)平衡及自適應(yīng)功能：能根據(jù)動(dòng)態(tài)的外部環(huán)境條件不斷自動(dòng)調(diào)整自身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而改變自已的行為．以一種優(yōu)化的方式對(duì)環(huán)境變化作出響應(yīng)。251.4智能材料的設(shè)計(jì)1.4.1智能材料的設(shè)計(jì)思路

以功能材料為基礎(chǔ)，以仿生學(xué)、人工智能及系統(tǒng)控制為指導(dǎo)，依據(jù)材料復(fù)合的非線性效應(yīng)，用先進(jìn)的材料復(fù)合技術(shù)，將感知材料、驅(qū)動(dòng)材料和基體材料進(jìn)行復(fù)合。26智能效應(yīng)的基本原理：——物質(zhì)和場(chǎng)之間的交互作用過程27智能材料設(shè)計(jì)的具體過程：明確材料的應(yīng)用目標(biāo)和實(shí)現(xiàn)思路確定智能材料的輸入場(chǎng)和輸出場(chǎng)選擇感知組元、驅(qū)動(dòng)組元和中間場(chǎng)借助于中間場(chǎng),通過幾個(gè)物理或化學(xué)效應(yīng)的耦合來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的智能化效應(yīng)28選擇傳感器和驅(qū)動(dòng)器時(shí)需把握的原則（1）兼容性要求主要指?jìng)鞲衅?、作?dòng)器與材料結(jié)構(gòu)的兼容性。目的是在材料中埋入或在表面粘貼傳感器和作動(dòng)器不會(huì)損害結(jié)構(gòu)的完整性。同時(shí)，還要能夠與智能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的其他電氣設(shè)備兼容。（2）穩(wěn)定性要求主要是指?jìng)鞲衅骱妥鲃?dòng)器自身工作性能的穩(wěn)定可靠及抗干擾能力。29（3）響應(yīng)帶寬要求傳感器和作動(dòng)器應(yīng)該具有較高的響應(yīng)速度和較寬的頻率響應(yīng)頻帶（4）傳感器精度的要求傳感器要具有較高的靈敏度和測(cè)量精度（5）驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)力的要求作動(dòng)器應(yīng)該產(chǎn)生足夠大的變形和較大的驅(qū)動(dòng)力，同時(shí)要具有較小的能耗。301.4.2智能材料的構(gòu)成（1）基體材料

作用和任務(wù)：承載材料其它三部分種類：輕質(zhì)材料（高分子材料、輕質(zhì)有色合金）（2）敏感材料

作用和任務(wù)：感知環(huán)境變化種類：光纖材料、壓電材料、形狀記憶材料、磁致伸縮材料等。311.4.2智能材料的構(gòu)成（3）驅(qū)動(dòng)材料

作用和任務(wù)：產(chǎn)生應(yīng)變和應(yīng)力→→響應(yīng)和控制。種類：壓電材料、形狀記憶材料、電(磁)流變體、磁致伸縮材料、刺激響應(yīng)性高分子凝膠等。

（4）信息處理器321.4.3智能材料的合成方法（1）纖維及顆粒形式的復(fù)合

將一種機(jī)敏材料顆粒(或纖維)復(fù)合在異質(zhì)基體中可實(shí)現(xiàn)各組元性能的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，獲得優(yōu)化的智能特性。

壓電陶瓷和壓電高分子以不同連接度復(fù)合

——性能優(yōu)異的壓電智能材料；

TiNi形狀記憶合金粒子或纖維復(fù)合在金屬或高分子中

——改善機(jī)械性能及阻尼能力.33

將兩種或多種機(jī)敏材料以多層μm級(jí)的薄膜復(fù)合，獲得優(yōu)化的綜合性能或多功能特性.

PZT(鋯鈦酸鉛,Pb[ZrxTi1-x]O3,0<x<1)和BaTiO3薄膜沉積在TiNi記憶合金襯底上——良好的壓電和形狀記憶特性、傳感和驅(qū)動(dòng)功能、阻尼性能，可用于主動(dòng)控振。34

將具有光敏、壓敏和熱敏等不同功能特性的納米粒子原位復(fù)合在多孔道骨架內(nèi)，通過調(diào)控納米粒子的尺寸、間距及納米粒子與骨架之間的相互作用，有可能得到兼具光控、壓控、熱控及其他響應(yīng)性質(zhì)的智能材料。納米多孔架材料：富勒烯(Ｃ60)(碳納米管)、沸石分子篩人工合成材料：多孔形狀記憶合金35

將具有不同功能的材料粒子按特定的方式進(jìn)行操作組裝，可創(chuàng)造出新的具有多功能特性的材料。（5）粒子復(fù)合組裝納米材料和納米復(fù)合材料將是智能材料設(shè)計(jì)的有效途徑之一。361.5智能材料的類型

(1)金屬系智能材料按材料基質(zhì)的不同分類：強(qiáng)度比較大、耐熱性好、耐腐蝕性能好航空、航天、原子能工業(yè)——結(jié)構(gòu)材料。檢測(cè)自身的損傷，且可將其抑制，具有自修復(fù)功能，從而確保使用過程中的穩(wěn)定性。形狀記憶合金、磁致伸縮材料等。特點(diǎn)：應(yīng)用領(lǐng)域：智能效應(yīng)：主要種類：37(2)無(wú)機(jī)非金屬系智能材料最初的考慮：局部吸收外力以防止材料整體破壞。電(磁)流變流體、壓電陶瓷、光致變色和電致變色材料等。主要種類：38多重亞穩(wěn)態(tài)、多水平結(jié)構(gòu)層次、較弱的分子間作用力，側(cè)鏈易引入各種官能團(tuán)——利于感知和判斷環(huán)境，實(shí)現(xiàn)環(huán)境響應(yīng)。(4)復(fù)合(composite)和雜化(hybrid)型智能材料特點(diǎn)：主要種類：(3)高分子系智能材料刺激響應(yīng)性高分子凝膠智能高分子膜材智能藥物釋放體系智能纖維與織物等391.6智能材料的應(yīng)用

將微型傳感元件、微型計(jì)算機(jī)芯片、形狀記憶合金、電流變體及壓電材料等經(jīng)設(shè)計(jì)后復(fù)合在結(jié)構(gòu)體中，可研制出帶有感知及判斷能力，可自動(dòng)加固及防護(hù)的自適應(yīng)性智能結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)、自診斷、自預(yù)警、自修復(fù)，防止災(zāi)難性事故的發(fā)生。(1)建筑和結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域

自診斷混凝土

自愈合混凝土40（2）航空航天領(lǐng)域能經(jīng)受惡劣環(huán)境，同時(shí)能對(duì)自己的狀況進(jìn)行自我診斷，并能阻止損壞和退化，能自動(dòng)加固或自動(dòng)修補(bǔ)裂紋，從而防止災(zāi)難性事故的發(fā)生?！餀C(jī)翼用智能材料：在高性能復(fù)合材料中嵌入細(xì)小的光纖,光纖象神經(jīng)那樣感受機(jī)翼上承受的不同壓力,光纖斷裂時(shí)，光傳輸中斷，發(fā)出事故警告。

自動(dòng)加固的直升飛機(jī)水平旋轉(zhuǎn)葉片：當(dāng)葉片在飛行中遇到疾風(fēng)作用而猛烈振動(dòng)時(shí),分布在葉片中微小液滴會(huì)變成固體自動(dòng)加固葉片。★41智能蒙皮:對(duì)于飛行器如飛機(jī)、火箭、衛(wèi)星及潛水艇等，具有隨外界條件變化而變化以及探測(cè)周圍環(huán)境的能力的表皮(蒙皮)?！餀z測(cè)飛行速度、溫度、濕度等各種條件,并能對(duì)變化的環(huán)境做出反應(yīng)，如抑制噪聲和振動(dòng)、維持飛行器座艙的通風(fēng)、溫度恒定、改變機(jī)翼形狀等。對(duì)于材料內(nèi)部的缺陷和損傷,能進(jìn)行自診斷，確定缺陷和損傷的部位并進(jìn)行自修復(fù)、自適應(yīng)。42（3）抑制振動(dòng)和噪聲

傳感元件對(duì)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，驅(qū)動(dòng)元件在微電子系統(tǒng)的控制下準(zhǔn)確地動(dòng)作以改變結(jié)構(gòu)的振動(dòng)狀態(tài)——具有振動(dòng)和噪聲主動(dòng)控制功能的智能結(jié)構(gòu)。成功應(yīng)用：減輕交通工具如汽車、飛機(jī)振動(dòng)和噪聲。43壓電材料