高春燕

【摘要】 概述智能材料的內(nèi)涵與結(jié)構(gòu)的基本特性、研究內(nèi)容及應(yīng)用前景,并介紹了幾種智能材料的結(jié)構(gòu)和研究新進展。

【關(guān)鍵詞】 智能材料;結(jié)構(gòu);新進展

近年來,國際上關(guān)于智能材料的研究和學(xué)術(shù)活動十分活躍,我國對這一新興學(xué)科的研究也十分重視,國家自然科學(xué)基金、航空基金等從1993年起每年都將智能材料列入研究計劃項目。將對智能材料的設(shè)計原理和幾類智能材料的發(fā)展?fàn)顩r作概括介紹。

一、智能材料及其結(jié)構(gòu)概述

智能材料是模仿生命系統(tǒng)、能感知環(huán)境變化并能實時地改變自身的一種或多種性能參數(shù)、自身可作出所期望的能與變化后的環(huán)境相適應(yīng)的、自我調(diào)整的復(fù)合材料或材料的復(fù)合。它是同時具有感知功能即信號感受功能(傳感器功能)、自己判斷并自己作出結(jié)論的功能(情報信息處理機功能)和自己指令并自己行動的功能(執(zhí)行機構(gòu)功能)的材料(感知、反饋、響應(yīng)是其三大基本要素)。

智能材料與結(jié)構(gòu)涉及到三個概念:智能材料、智能器件和智能結(jié)構(gòu)。智能材料包括感知材料和驅(qū)動材料。感知材料是一類對外界或內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變、熱、光、電、磁、輻射能和化學(xué)量等參量具有感知功能的材料,用它們可以制成各種傳感器件;驅(qū)動材料則是能對環(huán)境條件或內(nèi)部狀態(tài)變化作出響應(yīng)并執(zhí)行動作的材料,用它們可以制成各種驅(qū)動器件。

智能結(jié)構(gòu)則是由材料和器件所構(gòu)成的,集傳感、信號處理、控制和驅(qū)動于一體的材料系統(tǒng)或結(jié)構(gòu)體系,它能感知環(huán)境或內(nèi)部參量,進行信息處理,發(fā)出指令,執(zhí)行并完成動作,從而實現(xiàn)自診斷、自修復(fù)和自適應(yīng)等多種功能。智能材料與結(jié)構(gòu)具有敏感特性、傳輸特性、智能特性和自適應(yīng)特性這四種最主要的特性以及材料相容性。

二、幾種智能材料研究的發(fā)展

智能材料的基本組元有:光導(dǎo)纖維、壓電材料、電磁流變體、形狀記憶合金、磁致伸縮材料、各類半導(dǎo)體敏感材料和高分子智能材料,所有這些都在智能材料和系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。以下介紹幾種智能材料研究的新進展:

1.磁致伸縮材料

目前磁致伸縮智能材料的主流是稀土磁致伸縮材料,稀土超磁致伸縮材料是近期才發(fā)展起來的一種新型功能材料。這種材料在電磁場的作用下可以產(chǎn)生微變形或聲能,也可以將微變形或聲能轉(zhuǎn)化為電磁能。對于磁致伸縮智能材料的應(yīng)用,目前美國位居各國之首,其成功標(biāo)志在于開發(fā)出了一系列用于軍事目的的尖端產(chǎn)品,如美國已成功地將其應(yīng)用于艦艇水下聲納探測系統(tǒng)以及導(dǎo)彈發(fā)射控制裝置等。

但是我國對磁致伸縮智能材料新產(chǎn)品的開發(fā)還處于起步階段,也已呈現(xiàn)出良好的發(fā)展勢頭。如中國長江水利委員會應(yīng)用這種材料,開發(fā)出了大功率巖體聲波探測器,應(yīng)用于三峽工程和地球物理勘探;遼河油田應(yīng)用這種材料,開發(fā)出了井下物理法采油裝量;東北大學(xué)和大連理工大學(xué)應(yīng)用這種材料,擬在進給和精密定位方面進行聯(lián)合開發(fā)。

2.磁流變材料

磁流變材料是由懸浮于載體液中的可磁化粒子構(gòu)成,它是一種新型的智能材料,在建筑結(jié)構(gòu)防震和機械振動控制領(lǐng)域有較大的應(yīng)用前景。在外加磁場作用下,磁流變裝置能產(chǎn)生連續(xù)可控的阻尼力對振動系統(tǒng)的振動特性進行控制。由于磁流變阻尼器具有優(yōu)良的可控阻尼性能,在建筑結(jié)構(gòu)、車輛工程和機械工程中都有重要的應(yīng)用價值。曾有人預(yù)言,在汽車工業(yè)上,21世紀(jì)將是磁流變液的世紀(jì)。

3.壓電材料

壓電智能材料可以將壓強、振動等迅速轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柣驅(qū)㈦娦盘栟D(zhuǎn)變?yōu)檎駝有盘?也就是說壓電材料在外電場的作用下可以產(chǎn)生微小變形,也可以將微小變形轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?。且新一代的壓電材料還具有了條件反射和指令分析的能力,其特征和運轉(zhuǎn)方式類似于人的神經(jīng)系統(tǒng),可執(zhí)行類似于大腦的指令。壓電材料的這種獨特功能,使其在智能材料系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

(1)壓電陶瓷驅(qū)動器。由于壓電陶瓷具有把電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的能力,當(dāng)應(yīng)用系統(tǒng)通電給壓電陶瓷時,使材料的自發(fā)偶極矩發(fā)生變化,使材料的尺寸發(fā)生改變,這種效應(yīng)能產(chǎn)生200～300的微應(yīng)變,據(jù)報道,88層的壓電陶瓷片做成的驅(qū)動器可在20ms內(nèi)產(chǎn)生50μm的位移,響應(yīng)速度之快是其它材料所無法比擬的,是高精度、高速驅(qū)動器所必須的材料,已應(yīng)用在各種跟蹤系統(tǒng)、自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)、機器人微定位器、磁頭、噴墨打印機和揚聲器等。

(2)壓電傳感器。由于壓電材料對于所加應(yīng)力能產(chǎn)生可測量的電信號,在高智能材料系統(tǒng)中可用做傳感器。PVDF壓電陶瓷的壓電性比石英高3～5倍,壓電系數(shù)值更高,并且可以做得很薄,可貼在物體表面,非常適合做傳感器。在機器人上做觸覺傳感器可感知溫度、壓力,采用不同模式可以識別邊角、棱等幾何特征。同時這種材料具有熱釋電效應(yīng),可用作溫度傳感器?？茖W(xué)家最近研制成功一種壓電晶體,如果將其放入壁紙中,就可以大大減小冰箱或空調(diào)機的噪聲,給住戶創(chuàng)造了一個安靜的居住環(huán)境。

4.形狀記憶合金

一般金屬材料受到外力作用后,首先發(fā)生彈性變形,達到屈服點,就產(chǎn)生塑性變形,應(yīng)力消除后留下永久變形。但有些材料,在發(fā)生了塑性變形后,經(jīng)過合適的熱過程,能夠回復(fù)到變形前的形狀,這種現(xiàn)象叫做形狀記憶效應(yīng)(SME)。具有形狀記憶效應(yīng)的金屬一般是兩種以上金屬元素組成的合金,稱為形狀記憶合金(SMA)。目前已開發(fā)成功的形狀記憶合金有TiNi基形狀記憶合金、銅基形狀記憶合金、鐵基形狀記憶合金等。形狀記憶合金的具體應(yīng)用如下:

(1)工業(yè)應(yīng)用。a.利用單程形狀記憶效應(yīng)的單向形狀恢復(fù)。如管接頭、天線、套環(huán)等。b.外因性雙向記憶恢復(fù)。即利用單程形狀記憶效應(yīng)并借助外力隨溫度升降做反復(fù)動作,如熱敏元件、機器人、接線柱等。c.內(nèi)因性雙向記憶恢復(fù)。即利用雙程記憶效應(yīng)隨溫度升降做反復(fù)動作,如熱機、熱敏元件等。但這類應(yīng)用記憶衰減快、可靠性差,不常用。d.超彈性的應(yīng)用。如彈簧、接線柱、眼鏡架等。

(2)醫(yī)學(xué)應(yīng)用。TiNi合金的生物相容性很好,利用其形狀記憶效應(yīng)和超彈性的醫(yī)學(xué)實例相當(dāng)多。如血栓過濾器、脊柱矯形棒、牙齒矯形絲、腦動脈瘤夾、接骨板、髓內(nèi)針、人工關(guān)節(jié)、避孕器、心臟修補元件、人造腎臟用微型泵等。

5.光纖基礎(chǔ)智能材料

光導(dǎo)纖維具有感知和傳輸雙重功能,具有直徑小、柔韌性好、質(zhì)量輕、抗電磁干擾、傳輸頻帶寬、可埋入性好、便于波分、時分復(fù)用和可進行分布式傳感等優(yōu)點,可用于制作各種傳感器,測量溫度、壓力、位移、應(yīng)力、應(yīng)變等多種物理量并具有極高的靈敏度。因此光纖已成為當(dāng)前智能材料與結(jié)構(gòu)研究中首選的信息傳感及傳輸載體,光纖傳感技術(shù)則成為智能材料與結(jié)構(gòu)的技術(shù)基礎(chǔ)之一。

三、未來熱點應(yīng)用

智能材料與結(jié)構(gòu)發(fā)展異常迅速,雖然還是一個不成熟的領(lǐng)域,但由于應(yīng)用迫切,其應(yīng)用研究與基礎(chǔ)研究并行發(fā)展。作為一種新技術(shù),它在航空航天、國防軍事、建筑、紡織、醫(yī)學(xué)、汽車等部門都有著廣闊的發(fā)展前景,其未來熱點應(yīng)用主要集中在以下幾個方面:

(1)仿生學(xué)和航空航天。隨著智能材料與結(jié)構(gòu)的發(fā)展“,個人航空器”取代汽車已不再是科幻小說。目前已存在可調(diào)機翼的飛機,但像生命有機體一樣可以伸縮和有反應(yīng)能力的飛機和航天器將是研究的熱點。

(2)智能傳感器。隨著智能材料和人工智能技術(shù)特別是微型計算機技術(shù)的迅速發(fā)展,智能傳感器將在各個高新技術(shù)領(lǐng)域得到應(yīng)用。目前研制的智能材料傳感器如光纖傳感器、壓電傳感器、微芯片傳感器等在各領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)取得一定成效,未來的智能材料傳感器應(yīng)具有更強大的功能。如:傳感器自身能消除異常值和例外值,提供更全面、更真實的信息;除了自適應(yīng)和自調(diào)節(jié)功能外,還有一定的智能算法及自學(xué)習(xí)功能;可通過數(shù)字通信接口而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化和遠(yuǎn)程控制等。

(3)智能化住宅。智能材料的發(fā)展,特別是毫米塑料設(shè)想的提出,使智能化住宅的夢想離現(xiàn)實越來越近。可任意改變顏色的墻壁,根據(jù)人體需要可隨時調(diào)節(jié)溫度的水流,隨著季節(jié)變化可控溫度和濕度的房屋,所有的電器都是觸摸式的,永遠(yuǎn)不會再有觸電的危險,地震后房屋可以自動修復(fù)……這種理想的智能化住宅將顯著提高人們的生活質(zhì)量。

20世紀(jì)是機電學(xué)的時代。傳感——集成電路——驅(qū)動是最典型的機械電子控制系統(tǒng),但復(fù)雜而龐大,形狀記憶材料兼有傳感和驅(qū)動的雙重功能,可以實現(xiàn)控制系統(tǒng)的微型化和智能化,如全息機器人、毫米級超微型機械手等。21世紀(jì)將成為材料電子學(xué)的時代。形狀記憶合金的機器人的動作除溫度外不受任何環(huán)境條件的影響,可望在反應(yīng)堆、加速器、太空實驗室等高技術(shù)領(lǐng)域大顯身手。

參考文獻

[1]余海湖.智能材料與結(jié)構(gòu)的研究及應(yīng)用[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報.2001

[2]程顯文.智能材料在土木工程中的應(yīng)用[J].工程與建設(shè).2006

[3]張煦.通用汽車在智能材料技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域取得新突破[J].技術(shù)縱橫輕型汽車技術(shù).2007

[4]劉小峰.神奇的智能材料[J].科技視野.2007

[5]張金升.智能材料的應(yīng)用綜述[J].山東大學(xué)學(xué)報.2002