• 智能材料



    智能材料 




           智能材料(Intelligent material),是一種能感知外部刺激,能夠判斷并適當處理且本身可執行的新型功能材料。智能材料是繼天然材料、合成高分子材料、人工設計材料之后的第四代材料,是現代高技術(shù)新材料發(fā)展的重要方向之一,將支撐未來(lái)高技術(shù)的發(fā)展,使傳統意義下的功能材料和結構材料之間的界線(xiàn)逐漸消失,實(shí)現結構功能化、功能多樣化??茖W(xué)家預言,智能材料的研制和大規模應用將導致材料科學(xué)發(fā)展的重大革命。一般說(shuō)來(lái),智能材料有七大功能,即傳感功能、反饋功能、信息識別與積累功能、響應功能、自診斷能力、自修復能力和自適應能力。




         


    定義


    智能材料還沒(méi)有統一的定義。不過(guò),現有的智能材料的多種定義仍然是大同小異。大體來(lái)說(shuō),智能材料就是指具有感知環(huán)境(包括內環(huán)境和外環(huán)境)刺激,對之進(jìn)行分析、處理、判斷,并采取一定的措施進(jìn)行適度響應的智能特征的材料。具體來(lái)說(shuō),智能材料需具備以下內涵:
    (1)具有感知功能,能夠檢測并且可以識別外界(或者內部)的刺激強度,如電,光,熱,應力,應變,化學(xué),核輻射等;
    (2)具有驅動(dòng)功能,能夠響應外界變化;
    (3)能夠按照設定的方式選擇和控制響應;
    (4)反應比較靈敏,及時(shí)和恰當;
    (5)當外部刺激消除后,能夠迅速恢復到原始狀態(tài)。

    智能材料又可以稱(chēng)為敏感材料,其英文翻譯也有若干種,常用的有Intelligent material,Intelligent material and structure,Smart material,Smart material and structure,Adaptive material and structure等.。



    作為一種新型材料,一般認為,智能材料由傳感器或敏感元件等與傳統材料結合而成。這種材料可以自我發(fā)現故障,自我修復,并根據實(shí)際情況作出優(yōu)化反應,發(fā)揮控制功能。 智能材料可分為兩大類(lèi):
    (1)嵌入式智能材料,又稱(chēng)智能材料結構或智能材料系統。在基體材料中,嵌入具有傳感、動(dòng)作和處理功能的三種原始材料。傳感元件采集和檢測外界環(huán)境給予的信息,控制處理器指揮和激勵驅動(dòng)元件,執行相應的動(dòng)作。
    (2)有些材料微觀(guān)結構本身就具有智能功能,能夠隨著(zhù)環(huán)境和時(shí)間的變化改變自己的性能,如自濾玻璃、受輻射時(shí)性能自衰減的Inp半導體等。
    這只是一種比較籠統的分類(lèi)方法,由于智能材料還在不斷的研究和開(kāi)發(fā)之中,因此相繼又出現了許多具有智能結構的新型的智能材料。如,英國宇航公司在導線(xiàn)傳感器,用于測試飛機蒙皮上的應變與溫度情況;英國開(kāi)發(fā)出一種快速反應形狀記憶合金,壽命期具有百萬(wàn)次循環(huán),且輸出功率高,以它作制動(dòng)器時(shí)、反應時(shí)間,僅為10分鐘;在壓電材料、磁致伸縮材料、導電高分子材料、電流變液磁流變液等智能材料驅動(dòng)組件材料在航空上的應用取得大量創(chuàng )新成果。


    一般來(lái)說(shuō)智能材料由基體材料、敏感材料、驅動(dòng)材料和信息處理器四部分構成。
    (1)基體材料
    基體材料擔負著(zhù)承載的作用,一般宜選用輕質(zhì)材料。一般基體材料首選高分子材料,因為其重量輕、耐腐蝕,尤其具有粘彈性的非線(xiàn)性特征。其次也可選用金屬材料,以輕質(zhì)有色合金為主。
    (2)敏感材料
    敏感材料擔負著(zhù)傳感的任務(wù),其主要作用是感知環(huán)境變化(包括壓力、應力、溫度、電磁場(chǎng)、PH值等)。常用敏感材料如形狀記憶材料、壓電材料、光纖材料、磁致伸縮材料、電致變色材料、電流變體、磁流變體和液晶材料等。
    (3)驅動(dòng)材料
    因為在一定條件下驅動(dòng)材料可產(chǎn)生較大的應變和應力,所以它擔負著(zhù)響應和控制的任務(wù)。常用有效驅動(dòng)材料如形狀記憶材料、壓電材料、電流變體和磁致伸縮材料等??梢钥闯?,這些材料既是驅動(dòng)材料又是敏感材料,顯然起到了身兼二職的作用,這也是智能材料設計時(shí)可采用的一種思路。
    (4)其它功能材料
    包括導電材料、磁性材料、光纖和半導體材料等。




      


    智能材料是一種集材料與結構、智然處理、執行系統、控制系統和傳感系統于一體的復雜的材料體系。它的設計與合成幾乎橫跨所有的高技術(shù)學(xué)科領(lǐng)域。構成智能材料的基本材料組元有壓電材料、形狀記憶材料、光導纖維、電(磁)流變液、磁致伸縮材料和智能高分子材料等。智能材料的出現將使人類(lèi)文明進(jìn)入一個(gè)新的高度,但距離實(shí)用階段還有一定的距離。