材料科學第六章-智能材料

第四章智能材料及其應用智能材料(IntelligentMaterials,IM)作為一個重要的材料技術引起了國際材料科學界的廣泛重視,被視為下世紀工程技術發(fā)展的先導。它是繼石器材料、鋼鐵材料、合成高分子材料、人工設計材料而形成的一門新的分支學科,從此材料的發(fā)展進入第五代材料時期。這類新材料的特點是它的特性可隨環(huán)境和空間而變化。目前國際上一大批專家學者,包括化學家、物理學家、材料學家、生物學家、計算機學家、海洋工程、航空以及其它領域的專家對智能材料這一學科的潛力充滿了信心,正致力于發(fā)展這一學科。在美國、日本、英國、意大利等國家都已成立了智能材料研究機構,世界范圍的智能材料研討會也逐漸增多,第一份專門介紹這一學科的刊物《智能材料系統(tǒng)和結構雜志》已經出版。我國對智能材料的研究也十分重視,1991年國家自然科學基金會將智能/機敏材料列入國家高技術發(fā)展計劃綱要的新概念新構思探索課題,智能/機敏材料及其應用直接作為國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)項目課題。為推進我國智能材料的研究,國家自然科學基金委員會材料與工程科學部于1992年成立了“智能材料”集團。目前從事智能材料研究的單位和科研人員已逐漸增多。智能材料的概念在過去的幾年里,功能“智能”、機敏”材料的概念在材料界受到了高度重視。所謂智能材料,是一種能通過系統(tǒng)協(xié)調材料內部各種功能并對時間、地點和環(huán)境作出反應而發(fā)揮功能作用的材料。換言之,智能材料系指對環(huán)境可感知且可響應并具有自診斷、自修復功能的新材料。智能材料是將信息科學融合于材料物性和功能的一種材料新構思,它由三個要素組成:從人類觀點出發(fā)的智能;材料中固有的智能;材料的原始功能。它是受集成電路技術啟發(fā)而構思的三維組件模式的融合型材料。它是在原子、分子水平上進行材料控制,于不同的層次上賦予自檢測、自判斷、自結論和自指令、自執(zhí)行所設計出的新材料。這類材料的共同特征是:響應性。智能材料的種類智能材料的分類方法很多。根據(jù)材料的來源,智能材料包括金屬智能材料無機非金屬系智能材料高分子系智能材料金屬系智能材料由于其強度比較大、耐熱性好且耐腐蝕性能好,常用在航空、航天和原子能工業(yè)中作為結構材料。金屬材料在使用過程中會產生疲勞龜裂及蠕變變形而損傷,所以期望金屬系智能材料不但可以檢測自身的損傷,而且可將其抑制,具有自修復功能,從而確保使用過程中的穩(wěn)定性。目前研究開發(fā)的金屬系智能材料主要有形狀記憶合金和形狀記憶復合材料兩大類。無機非金屬系智能材料的初步智能性是考慮局部可吸收外力以防止材料整體變壞。目前此類智能材料在電流變流體、壓電陶瓷、光致變色和電致變色材料等方面發(fā)展較快。高分子系智能材料的范圍很廣泛。作為智能材料的刺激響應性高分子凝膠的研究和開發(fā)非?；钴S,其次還有智能高分子膜材、智能高分子粘合劑、智能型藥物釋放體系和智能高分子基復合材料等。智能材料的應用形狀記憶材料

直升飛機旋翼輪葉:最早引起社會興趣和工業(yè)界重視的智能材料結構是美國人研制的具有減振效果和診斷功能的“智能材料機翼”,在飛機的機翼部件中,埋入光導纖維等內應力傳感器,這些傳感器系統(tǒng)能將飛機機翼各個部分的重力情況及時告知信息處理中心,進而反饋信號,使機翼及時平衡和抵消多余的振動.而執(zhí)行減振驅動指令的則是形狀記憶合金及其網(wǎng)絡.

智能蒙皮不僅是飛機,其它飛行器如火箭、衛(wèi)星,還有潛水艇等的表皮都應有隨外界條件變化而變化以及探測周圍環(huán)境的能力,具有這樣功能的表皮(蒙皮)稱為智能(或機敏)表皮(蒙皮).未來飛機蒙皮不僅起機翼作用,由于采用智能材料系統(tǒng),它可以檢測飛行速度、溫度、濕度等各種氣象條件,并能對變化的環(huán)境做出反應,如改變機翼形狀等.另一功能是適合于當前的電子戰(zhàn),即具有識別、人為干擾、隱蔽通訊、威脅警告和電子保障系統(tǒng).對于材料內部的缺陷和損傷,智能表層能進行自診斷、自修復、自適應,還能抑制噪聲和振動;對于航空航天飛行器座艙能夠自動通風、保暖和冷卻.智能材料在現(xiàn)代藥劑學中的應用智能材料已成為新的學科分支,其在醫(yī)藥學、生物技術工業(yè)及環(huán)境問題上有許多潛在的應用,而近幾年在藥劑學上對智能聚合物的研究和開發(fā)也十分活躍,主要出現(xiàn)了PH敏感型、溫度敏感型(熱敏感型)、葡萄糖敏感型、核糖體酶型智能聚合物。

PH敏感型智能材料PH敏感型智能材料隨著周圍環(huán)境PH改變而改變其性質,從而可以控制藥物在一定部位釋放,從而提高藥效。PH敏感脂質體膜材使用含有PH敏感基團的脂質制備的。用于制備PH敏感脂質體的典型磷脂是二油酰磷脂酰乙醇胺(DOPE)。純化PE與其它脂質和蛋白混合時、可形成穩(wěn)定的脂質體,當PH改變時,雙層脂質體可轉變成六角相,引發(fā)脂質體膜不穩(wěn)定、聚集、溶合、釋放內容物。應用不同的膜材或通過調節(jié)脂質組成比例,可獲得不同PH敏感型的脂質體。但目前由于脂質體的穩(wěn)定性、包封率和靶向性等,尚未開發(fā)出應用于臨床的PH敏感型脂質體。包衣材料對于口服制劑,基于藥物性質和治療的需要,需要在人體消化道不同部位如胃、小腸、大腸和結腸處定位給藥。鑒于人體胃腸道PH不同的生理特點,可用PH敏感性高分子薄膜包衣來達到定位給藥的目的。據(jù)報道,智能材料如聚甲基丙烯酸甲酯-co-甲基丙烯酸共聚物(PMMA-co-MAA),通過改變MMA/MAA的投料比,可以制備具有不同酸值的PMMA-co-MAA丙烯酸樹脂。酸值不同的丙烯酸樹脂PH敏感值也不同,因而可以設計制備口服制劑的不同部位定向靶向給藥系統(tǒng)的包衣材料,酸值較小的樹脂可作為結腸定位給藥的包衣材料,而酸值較大的樹脂可作為小腸給藥的包衣材料。

溫度敏感水凝膠溫度敏感水凝膠隨著溫度的微小變化其體積變化可達數(shù)倍甚至幾十倍,這一現(xiàn)象稱為凝膠的相轉變,發(fā)生這種相轉變的溫度稱為水凝膠的相轉變溫度。目前已報道的溫度敏感水凝膠有離子化的丙烯酸衍生物的共聚物,聚(N,N-二乙基丙烯酰胺)和聚(N-異丙基丙烯酰胺)等非離子型水凝膠。以N-異丙基丙烯酰胺(NIPPAm)類均聚物和共聚物為例,這種智能材料有較低的臨界溶解溫度,當溫度升高到其最低臨界溫度(LCST)以上會發(fā)生從溶脹的軟透明狀態(tài)到消脹的硬不透明狀態(tài)的變化,其體積變化在范圍內可達幾十倍,并能快速吸收和釋放水而體現(xiàn)出開關性能。對PIPAAm

進行改造如末端修飾,可賦予該材料不同的智能特性。一般說來,加入親水末端可升高相轉變溫度,其原因為聚合鏈同水作用增強而延緩了相轉變現(xiàn)象。利用這些材料制成的釋藥系統(tǒng)其釋藥只與外界溫度有關,而同材料本身結構無關,可用于被動、主動靶向系統(tǒng),增加由局部溫度變化引起的定位釋放。溫度敏感型脂質體膜材目前用于制備該類脂質體的膜材主要是二棕櫚酸磷脂(DPPC)二硬脂酸磷脂(DSPC)。Yatvin將兩者以不同比例混合創(chuàng)制了溫度敏感性脂質體,使其由凝膠向液晶轉變具有不同的相轉變溫度(41～54℃),當脂質體達到液晶態(tài)相變溫度時其磷脂的?；溛蓙y度及活動度增加,膜的流動性增加,此時包封的藥物釋放速度增加,而相變溫度時則釋放減慢,因此使腫瘤或局部感染病灶升溫到41～42℃,就引起脂質體內容物滲漏,導致脂質體迅速釋放內容物。甲氨蝶呤溫度敏感脂質體注入荷Lewis肺癌小鼠的尾靜脈后用微波發(fā)生器加熱腫瘤部位至42,4h后在循環(huán)系統(tǒng)中的放射活性為對照組平均值的4倍。日本有人利用局部升溫技術和包封博萊霉素的溫度敏感脂質體治療小鼠AH-66腹水癌的淋巴結轉移,取得了明顯的抑制腫瘤生長和擴散及延長小鼠存活時間的效果。

葡萄糖敏感水凝膠用于胰島素釋放系統(tǒng)的葡萄敏感水凝膠,是利用這種水凝膠對葡萄糖溶液濃度變化具有收縮功能的特性來模擬健康胰島細胞的功能,即當血中的葡萄糖濃度升高時,葡萄糖敏感水凝膠可以吸收血中的葡萄糖分子,從而使糖尿病患者能夠自動地維持正常的血糖濃度。

智能紡織品智能紡織品就是較之普通的紡織品具有更多功能的紡織品。其智能化來自于織物纖維的智能化或織物中加入的特殊成分,這些特殊成分可以是電子裝置、特殊構造的聚合物甚至可以是著色劑。特殊成分的加入雖然使產品成本有所增加,但附加值增加得更大,因此針對不同要求研究開發(fā)適合不同環(huán)境條件下的智能紡織品是十分必要的。智能纖維美國佐治亞州理工學院將塑料光纖傳感器植入襯衣,利用fabryOperot型傳感器可以探測某個部位信號,研制成了具有“知覺”的“聰明的T恤”,它可以協(xié)助醫(yī)務人員探測病人心跳、體溫、血壓、呼吸等生理指標,也可由監(jiān)測人員了解和掌握運動員、宇航員、飛行員的身體情況,防止嬰兒在睡眠時因窒息而死亡。如士兵穿上這種T恤,一旦中彈受傷,T恤被擊穿,T恤中的光信號便不能傳至另一端,而會傳回后方的“個人狀態(tài)監(jiān)測器”,醫(yī)務人員便會據(jù)此知道傷員情況,按情況派人前往救援。

變色纖維變色纖維是一種具有特殊組成或結構的,在受到光、熱、水分或輻射等外界刺激后可逆、自動改變顏色的纖維。主要有光敏變色纖維和熱敏變色纖維兩種。用變色纖維做成的服裝在不同溫度、光線下呈現(xiàn)出色彩的變化。士兵穿上它在不同的地方會變成環(huán)境的顏色,不易被敵方發(fā)現(xiàn),達到隱蔽自己的目的。變色纖維還適合于制作舞臺服裝、童裝等。調溫纖維調溫纖維能根據(jù)外界環(huán)境溫度變化,伴隨纖維中所包含的室溫相變物質發(fā)生液—固可逆相變,或從環(huán)境中吸收熱量存儲于纖維內部,或放出纖維中存儲熱量,在纖維周圍形成溫度相對恒定的微氣候,從而在一定時間內實現(xiàn)溫度調節(jié)。由蓄熱調溫纖維加工成的紡織品除具有常規(guī)紡織品的靜態(tài)保溫作用外,還具有由于相變物質的吸放熱引起的動態(tài)保溫作用。目前,該纖維主要用在滑雪衫、靴、套、襪、帽、體育運動服裝等各個方面。

智能抗菌纖維人體皮膚表面生長有各種各樣的細菌,皮膚表面細菌過多或完全沒有細菌,都會引起各種各樣的問題,如過敏、產生臭味或生病等。美國Nylstar公司制造出一種“智能聚酰胺纖維”,抗菌劑包藏于纖維內部,而不是粘附于纖維表面,所以不必擔心其中的成分會引起皮膚的過敏,而且可以耐30次的洗滌,這種纖維區(qū)別于一般抗菌纖維之處在于,無論是輕微活動還是劇烈運動都可以控制皮膚表面細菌的數(shù)量維持在正常水平。

用于軍事方面的智能紡織品美國馬薩諸塞州內蒂克的美軍士兵系統(tǒng)中的研究人員正在研制一種專供士兵穿著的具有變色、接受電子郵件等功能的新式服裝。這種名為“天蝎高速戰(zhàn)斗服”的服裝將使用植入服裝纖維內的微型裝置,包括可使士兵能夠接收電子郵件以及自己、敵人所在準確位置等信息的一體化天線。此外,植入服裝內的微小發(fā)光粒子能分辨現(xiàn)場環(huán)境的顏色和特征,改變自身顏色并與之混合。據(jù)稱,這種服裝將于2010年裝備部隊

有毒物質探測織物有毒物質探測織物是在織物中織入一些光導纖維傳感器,當光學微傳感器接觸到某種氣體、電磁能、生物化學或其他有毒的介質時,被激發(fā)產生一種報警信號,提醒暴露在有毒氣體中的穿著者,以及提高士兵在戰(zhàn)場上的生存能力。這些精明的服裝作為消防人員、有毒物質工作者或其他暴露在有毒氣體場所中工作的工人的保護性服裝有更大的意義。智能材料在建筑中的應用美國伊利諾伊大學的一位建筑學副教授卡羅琳·德賴，目前正在研制一種自行愈合的混凝土。他設想把大量的空心纖維放入混凝土中，當混凝土開裂時，事先裝有“裂紋修補劑”物質的空心纖維也會裂開，并釋放出粘結修補劑把裂紋牢牢地“焊”在一起，防止混凝土斷裂。這種智能材料稱為“被動式”智能材料。美國的另一些橋梁專家則在研究一種主動式智能材料。他們設計出一個方案，即如果橋梁的某些部分出現(xiàn)問題時，橋梁的另一部分就自行加固以求彌補。這一設想在技術上已沒有什么困難。隨著電腦技術的發(fā)展，現(xiàn)在完