方超 趙歡 梁成 蒙日亮 孫金生

（東風(fēng)柳州汽車有限公司，柳州545005）

主題詞：汽車智能化 智能高分子 應(yīng)用展望

縮略語(yǔ)

IME In-Mold-Electronic

SMM Shape Memory Materials

SMA Shape Memory Alloy

SMC Shape Memory Ceramics

SMP Shape Memory Polymer

PEM Polyelectrolyte Multilayer film

STF Shearing Thickening Fluid

STG Shearing Thickening Gel

ODT Order Disorder Transition，

PTFE Poly Tetra Fluoroethylene

PET Polyethylene Glycol Terephthalate

1 前言

新材料的發(fā)現(xiàn)、發(fā)明和應(yīng)用推廣與技術(shù)革命和產(chǎn)業(yè)變革密不可分。在全球新一輪科技和產(chǎn)業(yè)革命興起的大背景下，新材料產(chǎn)業(yè)作為制造業(yè)轉(zhuǎn)型提升的核心領(lǐng)域和重要支撐之一。在汽車智能化、輕量化、電動(dòng)化、共享化和網(wǎng)聯(lián)化這“五化”發(fā)展趨勢(shì)下，汽車領(lǐng)域?qū)π虏牧系囊笤絹?lái)越高。作為新材料的代表，對(duì)環(huán)境變化具有感知能力的智能材料則越來(lái)越受到科研人員和企業(yè)的關(guān)注。在“十二五”規(guī)劃中新汽車產(chǎn)品目[1]中就已經(jīng)把“智能材料”作為一個(gè)大類單獨(dú)列了出來(lái)。

智能材料指具有感知外部環(huán)境和內(nèi)部環(huán)境變化能力的材料，它既可以對(duì)變化量進(jìn)行信號(hào)采集和分析，實(shí)現(xiàn)自我診斷，又可以具有一定的調(diào)節(jié)和修復(fù)能力[2-3]。智能材料的概念來(lái)源于仿生學(xué)，由日本學(xué)者高木俊宜和美國(guó)學(xué)者Newnhain同時(shí)提出，目的是構(gòu)建類似生物組織那樣具有智能屬性的材料[4-5]。

為提高汽車智能化水平，現(xiàn)階段主要關(guān)注3個(gè)方面。

（1）將人工智能應(yīng)用于汽車上實(shí)現(xiàn)下一個(gè)終端的智能化；

（2）模內(nèi)電子技術(shù)（IME）等工藝將實(shí)現(xiàn)汽車表面操作的智能化；

（3）智能材料為汽車材料的智能化提供可能。

在汽車智能材料研究方面，目前主要關(guān)注智能合金[6-8]，對(duì)于智能高分子材料卻鮮有人提及。隨著最近幾年多種多樣的智能高分子材料的發(fā)現(xiàn)及研究，為汽車在材料方面的智能化應(yīng)用提供了可能?；谏鲜霰尘?，本文綜述了近年來(lái)可應(yīng)用于汽車的幾類智能高分子材料，并且展望了這些智能高分子材料在汽車智能化應(yīng)用領(lǐng)域的研究方向。

2 智能高分子材料的研究及在汽車上應(yīng)用展望

2.1 形狀記憶材料

未來(lái)汽車碰撞后，有可能用電吹風(fēng)吹吹凹陷處就可以使凹陷結(jié)構(gòu)恢復(fù)原樣，這就是形狀記憶材料的能力。形狀記憶材料（Shape Memory Materials，SMM）是一種可以感知外部環(huán)境變化，并做出相應(yīng)形狀改變的材料。包括形狀記憶合金（Shape Memory Alloy，SMA）、形狀記憶陶瓷（Shape Memory Ceramics，SMC）和形狀記憶高分子材料（Shape Memory Polymer,SMP）（圖1）[9]。

圖1 形狀記憶高分子材料[9]

形狀記憶材料實(shí)際應(yīng)用最早報(bào)道的例子是美國(guó)國(guó)家航空和宇宙航行局的月面天線設(shè)計(jì)的形狀記憶合金[10]。在我國(guó)，2016 年發(fā)射的實(shí)踐17 號(hào)衛(wèi)星，其柔性太陽(yáng)能電池板就使用了形狀記憶聚合物復(fù)合材料。

目前在汽車上應(yīng)用的形狀記憶材料基本上是形狀記憶合金，應(yīng)用最多的是制動(dòng)器，目前使用品類已達(dá)一百多種，主要用于控制引擎、傳送、懸吊、把手（圖2a）等[11-12]，以提高安全性、可靠性及舒適性。此外在汽車手動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)的防噪裝置以及發(fā)動(dòng)機(jī)燃料氣體控制裝置上也有應(yīng)用[13]。

雖然形狀記憶高分子材料具有可恢復(fù)率高、質(zhì)輕、加工成本低、耐腐蝕等優(yōu)于形狀記憶合金的特點(diǎn)，受到廣泛的關(guān)注[14]，但是形狀記憶高分子材料受到材料強(qiáng)度低、變形能力差及響應(yīng)速率慢等性能限制[15]，在汽車上的應(yīng)用不多。

圖2 形狀記憶材料在汽車上的應(yīng)用

隨著對(duì)高性能形狀記憶高分子材料的研究,形狀記憶高分子材料未來(lái)在汽車上使用的潛力巨大。目前已經(jīng)出現(xiàn)了快速響應(yīng)、高強(qiáng)度和高驅(qū)動(dòng)能力的形狀記憶材料。比如Ze 等研究得到具有形狀記憶且能快速形變的磁驅(qū)形狀記憶高分子材料[16]；王玉忠院士團(tuán)隊(duì)通過對(duì)聚合物分子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，制備了具有高強(qiáng)度、形狀記憶性能、自修復(fù)性能和阻燃抗熔滴性能的共聚酯，且該共聚酯可用于3D 打印技術(shù)[17]；Philippe Poulin 教授和Andreas Lendlein 教授開發(fā)了一種基于形狀記憶及其納米復(fù)合纖維的高能微引擎，具有高驅(qū)動(dòng)能力[18]。2018 年，三井化學(xué)在人車技術(shù)展上展示了他們的形狀記憶表皮的汽車座椅坐墊（圖2b）。該坐墊可以受到體溫的影響進(jìn)而軟化，經(jīng)過一段時(shí)間，最終貼合人的身體形態(tài)。如果作為座椅，可以比僅靠坐墊的情況下更易分散身體的壓力。

2.2 自修復(fù)材料

在汽車領(lǐng)域，材料的耐損傷性也是一個(gè)十分重要的問題。高分子材料在受到外界作用的環(huán)境下，會(huì)產(chǎn)生肉眼不可見的裂紋等傷害，從而導(dǎo)致性能下降，更甚的情況是材料的失效[15]。而生物在受到傷害時(shí)，雖然傷處有破損，但是經(jīng)過一段時(shí)間就會(huì)自我修復(fù)。為了模仿生物的這種自修復(fù)性能，近十幾年，自修復(fù)材料得到了快速的發(fā)展。簡(jiǎn)單來(lái)說分為兩大類自修復(fù)材料：外援型自修復(fù)材料及本征型自修復(fù)材料[19-20]（圖3）。

圖3 自修復(fù)材料示意[20]

外援型自修復(fù)材料通過將載有修復(fù)劑的微膠囊和微脈管分散在樹脂基體中，當(dāng)基體損傷時(shí)，微膠囊或微脈管破裂釋放修復(fù)劑，從而在裂紋處引發(fā)聚合，形成新的聚合物，從而修復(fù)破裂[19]。Patrick 等在2014年創(chuàng)造了一種基于纖維基增強(qiáng)復(fù)合材料的自修復(fù)材料，采用三維脈管網(wǎng)絡(luò)，極大地解決了纖維基增強(qiáng)復(fù)合材料在使用過程的分層、微裂紋等安全隱患[21]。類似的例子還有米其林的自修復(fù)輪胎（圖4），其通過噴涂設(shè)備在輪胎內(nèi)噴涂一層高分子橡膠，使直徑在6 mm 內(nèi)，長(zhǎng)度在8 cm 內(nèi)的尖銳物戳破輪胎胎面后被包裹，拔出后傷口自封閉，起到防刺漏的效果。

圖4 米其林自修復(fù)輪胎示意

本征型自修復(fù)高分子材料是指高分子基體受到一定程度外力作用而破壞后，可以在沒有外加能量或作用力的情況下通過化學(xué)鍵的固有可逆性和受損界面之間的物理相互作用（例如可逆共價(jià)鍵，主客體之間相互作用和分子擴(kuò)散），實(shí)現(xiàn)自我修復(fù)的材料，該類型的自修復(fù)材料分為帶有可逆共價(jià)鍵體系的自修復(fù)材料和可逆非共價(jià)鍵的自修復(fù)材料[22]（圖5）。

圖5 本征自修復(fù)類型[23]

相田卓教授研究出了自修復(fù)玻璃（圖6），該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)聚醚硫脲具有稠密的氫鍵硫脲單元，且形成的是非晶體材料，這種特殊的結(jié)構(gòu)增加了損傷處斷面的氫鍵結(jié)合能力。以此制成的玻璃破碎后，在室溫按住斷面并保持接觸幾十秒就可以修復(fù)，具有良好的自修復(fù)性能[24]。最近HossamHaick 研究團(tuán)隊(duì)[25]研發(fā)了一種新型水下自修復(fù)熱塑性彈性體材料，該材料在自來(lái)水、海水、酸性溶液（pH=3）和堿性溶液（pH=11）等不同的水環(huán)境中都具有自愈合能力且自修復(fù)效率達(dá)到了80%以上（24 h）。

圖6 自修復(fù)玻璃[24]

本征自修復(fù)材料想要在實(shí)際中應(yīng)用需要克服2點(diǎn)。

（1）自修復(fù)的斷面要用外力保持接觸；

（2）是自修復(fù)斷面需要一段時(shí)間才能完全修復(fù)（圖6）。

在實(shí)際過程中，材料斷裂或破損處很難同時(shí)滿足上述要求。最近研究發(fā)現(xiàn)了一種可像液體流動(dòng)的自修復(fù)材料[26]，當(dāng)材料劃破一個(gè)裂口后，不需外力讓裂口或斷面接觸，材料可以像液體一樣緩慢流向裂口而修復(fù)[27-28]（圖7）。這種自修復(fù)材料更貼合于實(shí)際的破損情況，但缺點(diǎn)是修復(fù)的時(shí)間卻很漫長(zhǎng)。

圖7 材料像液體一樣流動(dòng)到裂口處的自修復(fù)材料[27]

自修復(fù)高分子材料在汽車領(lǐng)域、生物醫(yī)藥、深空探索、兵器制造等各種高尖端行業(yè)中都具有廣闊的應(yīng)用前景，但目前大多數(shù)的研究距離實(shí)際應(yīng)用還有很長(zhǎng)的路要走。本征型自修復(fù)材料一般制備工藝較為繁瑣復(fù)雜，成本高，且性質(zhì)難以改良；外援型的自修復(fù)高分子材料較貼近實(shí)際應(yīng)用情況，但其雜質(zhì)過多，會(huì)影響修復(fù)次數(shù)與性能[22]。但隨著技術(shù)的發(fā)展，特別是隨著更多自流動(dòng)本征自修復(fù)高分子材料的出現(xiàn)，在克服上述不足的情況下，自修復(fù)高分子材料在汽車的智能化上將起到重要的作用。

2.3 智能變溫材料

在夏天，汽車被太陽(yáng)直曬一段時(shí)間后的車內(nèi)高溫，雖然可以通過空調(diào)去解決，但空調(diào)降溫也需要一段時(shí)間，并不能立刻解決該問題。特別是處于汽車電動(dòng)化發(fā)展的現(xiàn)階段，使用大功率的空調(diào)影響電動(dòng)汽車的行程以及電池的使用壽命。此外還有一種降溫方式就是提高陽(yáng)光熱量的反射效率和降低陽(yáng)光熱量的吸收效率。比如2020 年夏天，梅賽德斯-奔馳將推出最新款E 級(jí)轎車，該E 級(jí)敞篷車型配備一種反光皮革。在太陽(yáng)光直射的情況下，與其他未經(jīng)處理的皮革相比，此種皮革可以讓車輛的溫度低高達(dá)13 ℃。類似于這種不耗電且能控制汽車內(nèi)部溫度的材料將是理想的替代品，而未來(lái)的智能變溫材料有可能解決這個(gè)問題。人類復(fù)雜的靜脈血管網(wǎng)絡(luò)可以讓身體在夏天保持涼爽，受此啟發(fā)，科學(xué)家開始研究在外界氣溫變化時(shí)可智能變溫的材料。智能變溫材料變溫時(shí)不會(huì)耗電，節(jié)能，是未來(lái)汽車材料發(fā)展的一大趨勢(shì)。

按照熱力學(xué)第二定律，制冷要找一個(gè)比環(huán)境溫度低的物體，而外太空的溫度超低，可以作為理想的超低溫物體。因此具有將吸收的熱量以紅外形式發(fā)射向外太空的這種輻射制冷材料將會(huì)成為研究的熱點(diǎn)[29]（圖8）。胡良兵教授等[29]研究了一種輻射制冷木材，可以使溫度最多降低10 ℃左右，制冷能耗則最多減少60%[30]。在合成高分子材料方面，Pejman 等[31]發(fā)明了輻射制冷降溫薄膜（圖9）。這種薄膜的外部由塑料TPX 包裹，內(nèi)部有許多直徑僅8 μm 的玻璃珠，這種結(jié)構(gòu)可以將太陽(yáng)光反射，防止熱量向下滲透。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在37 ℃的環(huán)境溫度下，室內(nèi)可以保持20 ℃[31]。Dreos等[32]已開始通過計(jì)算機(jī)模擬人體內(nèi)部血管系統(tǒng)，然后設(shè)計(jì)一種功能性的3D 打印碳纖維復(fù)合材料，該材料可以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)制冷。

圖8 輻射制冷示意[29]

上述輻射制冷的材料只能制冷，那有沒有既可以吸熱又可以放熱的材料呢？Mandal 等[33]研究出一種可在太陽(yáng)光照作用下吸收太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變構(gòu)象（降冰片二烯結(jié)構(gòu)變成四環(huán)烷結(jié)構(gòu)），而在黑暗下構(gòu)像又會(huì)逆轉(zhuǎn)并放熱（四環(huán)烷結(jié)構(gòu)回到降冰片二烯結(jié)構(gòu)）的材料，實(shí)現(xiàn)了所謂的液體太陽(yáng)能存儲(chǔ)[33]（圖10）。然而該材料的吸熱放熱功能的實(shí)現(xiàn)，必須要有水作為吸熱放熱的媒介，并不是輻射制冷。

圖9 薄膜輻射制冷示意圖[31]

圖10 降冰片二烯結(jié)構(gòu)的可逆太陽(yáng)能儲(chǔ)存示意[33]

最近楊遠(yuǎn)團(tuán)隊(duì)[34]研究出了冰屋-溫室可逆轉(zhuǎn)變的薄膜。該薄膜通過進(jìn)一步改變孔隙折射率的方法實(shí)現(xiàn)了輻射制冷和加熱之間的動(dòng)態(tài)化。只需要調(diào)節(jié)薄膜表面是否濕潤(rùn)，就可以達(dá)到吸熱和放熱的效果[34]（圖11）?；谠摱嗫姿芰系摹爸悄懿ＡА?，其表面狀態(tài)可以在1 min 中內(nèi)快速轉(zhuǎn)變。在1 043 W/m2的陽(yáng)光強(qiáng)度下，透光屋頂與不透光屋頂對(duì)應(yīng)的室內(nèi)溫度可相差近25 ℃。但該材料還是需要通過外界來(lái)調(diào)節(jié)表面是否濕潤(rùn)而實(shí)現(xiàn)吸熱放熱的過程，并不能直接通過溫度來(lái)控制放熱吸熱的材料。

圖11 “智能玻璃”示意[34]

智能變溫材料具有輕量化、節(jié)能環(huán)保、不耗電、比金屬耐用（考慮金屬部件受腐蝕的影響）等優(yōu)勢(shì)，但是目前的生產(chǎn)成本總體過高、制作工藝復(fù)雜、變溫響應(yīng)時(shí)間過長(zhǎng)、吸熱和放熱并不能簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)等不足，還需要繼續(xù)去研究克服。智能降溫升溫的高分子變溫材料不僅僅可以應(yīng)用于汽車領(lǐng)域，也可以應(yīng)用于建筑、航天等各方面，也是研究的一大熱點(diǎn)。

2.4 智能變色材料

隨著汽車智能化的發(fā)展，汽車對(duì)顏色的要求越來(lái)越多樣化。2005 年，法拉利Superamerica 敞篷跑車采用了電致變色的擋風(fēng)玻璃和頂棚玻璃。福特汽車曾經(jīng)發(fā)表過一款可以利用LED 隨意改變車身顏色的概念車“GloCar”。這些變色都需要電力驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，如果材料本身就可以智能變色，那就可以減少氛圍燈的使用、減少噴漆的過程、節(jié)約電能、降低汽車生產(chǎn)過程及成本等多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。

在自然界中，有很多動(dòng)植物具有智能變色的能力。比如許多動(dòng)物可以通過體表顏色變化以躲避天敵、求偶或者捕食，而植物葉子的春綠秋黃是很常見的自然現(xiàn)象。生物或植物呈現(xiàn)出的這些顏色變化，根據(jù)變化的內(nèi)在原因可細(xì)分為色素變化引起宏觀的顏色變化，以及組織或器官組成結(jié)構(gòu)變化引起的顏色變化。通過學(xué)習(xí)自然的這些智能變色特性，目前很多合成材料體系的表面也能夠在外界刺激作用下調(diào)節(jié)顏色變化。其中，因材料微結(jié)構(gòu)改變導(dǎo)致材料宏觀顏色變化的現(xiàn)象引起了科學(xué)家們的廣泛研究興趣[35]。

受變色龍的啟發(fā)，杜學(xué)敏團(tuán)隊(duì)[36]最近成功研制出能通過顏色變化進(jìn)而實(shí)現(xiàn)與環(huán)境交互，同時(shí)還能運(yùn)動(dòng)的軟體爬行機(jī)器人。通過外界溶劑氛圍的變化可實(shí)現(xiàn)快速變色，速度可快至0.2 s，并且通過調(diào)控薄膜暴露在溶劑蒸氣中的時(shí)間長(zhǎng)短，從而實(shí)現(xiàn)不同的顏色變化（圖12）。

圖12 溶劑響應(yīng)變色材料[36]

Wei 等[35]研究發(fā)現(xiàn)在硅基底上層層自組裝光敏性納米層狀聚電解質(zhì)多層膜（Polyelectrolyte Multilayer film, PEM），隨后通過局部選擇性光輻照得到了具有濕氣刺激響應(yīng)性的快速變色材料體系薄膜。局部光輻照實(shí)現(xiàn)聚合物膜（交聯(lián)/未交聯(lián)）在不同區(qū)域?qū)θ軇┚哂胁煌娜苊浂?，這是實(shí)現(xiàn)復(fù)合膜圖案化顯色的關(guān)鍵[35]（圖13）。

圖13 濕氣刺激響應(yīng)快速變色材料[35]

最近又研發(fā)了一種可以逆反射的結(jié)構(gòu)色材料，武利民團(tuán)隊(duì)[37]將直徑為數(shù)微米至十幾微米的聚合物膠體微球組裝到普通透明聚合物膠帶的粘膠層上成單層微球陣列，得到了一種既具有逆反射、又同時(shí)具有隨角異色和隨角不變色的智能響應(yīng)結(jié)構(gòu)色薄膜材料。該材料，從照明的方向可觀察到均一、明亮的逆反射結(jié)構(gòu)色，且顏色不隨角度變化；而從非照明方向觀察時(shí)，薄膜顏色隨照明角或觀察角變化而變化[37]（圖14）。該逆反射結(jié)構(gòu)色薄膜在智能顯示、交通安全反光設(shè)施、防偽標(biāo)簽、結(jié)構(gòu)色涂層和裝飾等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值[37]。

圖14 隨角異色和隨角不變色的智能響應(yīng)結(jié)構(gòu)色薄膜材料[37]

智能變色材料變色不需要電、質(zhì)輕等特點(diǎn)，可以讓汽車的更輕、更智能、更省電，但是還需要解決智能變色材料生產(chǎn)成本高、生產(chǎn)過程復(fù)雜、難以產(chǎn)業(yè)化和材料性能不穩(wěn)定等問題。

2.5 智能自清潔材料

要保持汽車的表面清潔，現(xiàn)在可以通過自助洗車、電腦洗車、非接觸式洗車、高壓式洗車等方式，但這些洗車方式主要是沒有養(yǎng)護(hù)作用、容易產(chǎn)生漆傷、成本高和浪費(fèi)水。如果汽車具有荷葉那種“出淤泥而不染”的功能，便可以解決上述清潔的不足。植物葉（圖15a）由于其表面有微小的、數(shù)以萬(wàn)計(jì)的“突起”，這些“突起”之間的空氣讓水滴的表面張力大于水滴與蓮葉的吸附力，使水滴維持近球形，造成“出淤泥而不染”現(xiàn)象。這種現(xiàn)象給研究者以啟迪，現(xiàn)在已經(jīng)研究出既能疏水、防油，又能防止纖塵、污泥的“仿蓮葉”型自清潔材料。

圖15 自清潔植物表面結(jié)構(gòu)

薛涵宇等[38]從自然界那些具有多功能植物葉的表面結(jié)構(gòu)汲取靈感，將PTFE（聚四氟乙烯）乳液顆粒噴涂在基底使傳統(tǒng)聚苯乙烯（PS）材料上形成多孔結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的機(jī)械穩(wěn)定性和自清潔性能，在防污、減阻涂層等方面有重要的應(yīng)用。Yamauchi 等[39]受金針菇啟發(fā)，在對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）上堆積一層緊密間隔、且高而薄的納米結(jié)構(gòu)，得到性能更好的自清潔材料。水、咖啡、番茄醬、牛奶和橄欖油等液體都可以從其表面滑落，即使經(jīng)過5 000 次彎曲循環(huán)，這些結(jié)構(gòu)組合仍然存在。Yoshihiro Yamauchi 研究團(tuán)隊(duì)[40]受“刺鲀”啟發(fā)，制備了微米級(jí)四腳狀氧化鋅（ZnO）和聚（二甲基硅氧烷）的復(fù)合材料（圖16）。該材料具有耐磨損/劃痕/切片/液滴沖擊/彎曲/扭轉(zhuǎn)及超疏水柔性性能，由于四腳的幾何形狀和聚二甲基硅氧烷的彈性，復(fù)合材料在1 000 次磨損和1 000 次彎曲循環(huán)后，依然能保持穩(wěn)定的疏水性能。

圖16 刺豚及微米級(jí)四腳狀ZnO彈性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[40]

自清潔材料在汽車、太陽(yáng)能板[41]、智能除冰[42]、水泥[43]等領(lǐng)域都具有很重要的作用，但也存在很多問題。

（1）某些原材料價(jià)格昂貴（如氟化硅油等有機(jī)氟化合物），如果處理不當(dāng)還要造成環(huán)境污染；

（2）必須使用如丙酮和苯等有機(jī)溶劑，這些溶劑受到管制且對(duì)身體危害很大；

（3）研究復(fù)合材料表面具有自清潔的各種結(jié)構(gòu)，就要了解該結(jié)構(gòu)在微米、納米等尺度上的各種物理和化學(xué)的結(jié)構(gòu)及性能；

（4）合成特殊微米、納米結(jié)構(gòu)的技術(shù)還有待發(fā)展。

2.6 剪切增稠復(fù)合材料

汽車作為載人的高速交通工具，安全是所有人考慮的首要因素。為了提高汽車安全性，汽車已經(jīng)擁有了安全帶、安全氣囊、抬頭顯示等功能。在材料方面，主要通過使用高強(qiáng)度鋼來(lái)提高汽車的安全性，但所有的高強(qiáng)度鋼的強(qiáng)度在沖擊后都會(huì)逐漸下降，并不能接受多次甚至二次碰撞。如果有一種強(qiáng)度在受到?jīng)_擊時(shí)突然變大，且其強(qiáng)度與沖擊有正相關(guān)的智能材料，那么就可以解決這種多次碰撞時(shí)引起的材料強(qiáng)度下降的問題。

如圖17 所示，剪切增稠是一種非牛頓流體的性能，且具有可逆性。表現(xiàn)形式為：具有該性能的流體當(dāng)受到的剪切速率超過某一臨界值時(shí)該流體的粘度會(huì)突然增加；當(dāng)剪切速率逐漸降低時(shí)粘度也會(huì)恢復(fù)到初始值[45]。例如淀粉糊的濃度大概在40%～50%時(shí)就表現(xiàn)出這種剪切增稠的特性[46]。目前解釋剪切增稠現(xiàn)象的機(jī)理有2種。

圖17 在低速和高速下將小棍拔出的剪切增稠對(duì)比試驗(yàn)[44]

（1）是由Hoffman 提出的“從有序到無(wú)序”機(jī)理(Order Disorder Transition，ODT)，即起始的剪切變稀現(xiàn)象是由于體系中粒子有序程度的提高，而在臨界值后的剪切增稠現(xiàn)象是因?yàn)轶w系中粒子的有序結(jié)構(gòu)遭到破壞；

（2）是Brady 等人提出的“粒子簇”生成機(jī)理，他們認(rèn)為剪切增稠是由于流體作用促成亞穩(wěn)態(tài)“粒子”的生成，嚴(yán)重阻礙了流體的流動(dòng)，使得體系的粘度增大[46]。

目前剪切增稠主要分為剪切增稠液和剪切增稠膠。

2.6.1 剪切增稠液

20 世界90 年代美國(guó)開始對(duì)剪切增稠液[47-48]（Shearing Thickening Fluid，STF）進(jìn)行研究，并運(yùn)用這種材料研制一種新型的防彈材料。傳統(tǒng)的防護(hù)材料一般為硬質(zhì)材料，質(zhì)量重、靈活性差，如果將STF 與高性能纖維織物相結(jié)合制備新型防護(hù)材料，除了擁有原先防護(hù)性能外，還具有柔性好、產(chǎn)品薄、質(zhì)輕的優(yōu)點(diǎn)[49-50]。例如國(guó)外已經(jīng)將剪切增稠液與kevlar 纖維的復(fù)合[51-52]，但是剪切增稠液不穩(wěn)定，不易封存及攜帶，容易從纖維織物表面脫落等缺點(diǎn)，從而限制了STF 的應(yīng)用[53]。

2.6.2 剪切增稠膠

針對(duì)剪切增稠液的這些不足，人們?cè)诖嘶A(chǔ)上研究出了一種新的復(fù)合材料—剪切增稠膠（Shearing Thickening Gel，STG）。這種材料在不受力的情況下，柔軟而富有彈性，當(dāng)收到外界劇烈沖擊時(shí)，材料內(nèi)部分子會(huì)迅速相互作用而變硬；當(dāng)外界沖擊消失，膠體又恢復(fù)到原先的柔軟狀態(tài)。剪切增稠膠相比較于剪切增稠液，更易封裝，攜帶更方便，性能更穩(wěn)定，更易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化[53]。美國(guó)科學(xué)家在2005 年已經(jīng)研發(fā)出了一種剪切增稠膠D30[54]，并于2006 年冬奧運(yùn)會(huì)時(shí)，用于美國(guó)和加拿大的高山滑雪隊(duì)的滑雪服中?，F(xiàn)在已經(jīng)在很多領(lǐng)域中有了應(yīng)用，如防護(hù)裝甲、減震頭盔、護(hù)腿等[55-56]。

圖18 Kevlar材料與STF-Kevlar材料的準(zhǔn)靜態(tài)防刺測(cè)試對(duì)比[51]

剪切增稠材料具有制作工藝簡(jiǎn)單、成本較低、吸收沖擊能力強(qiáng)等特點(diǎn)。經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)在實(shí)際防護(hù)用品中得到很好的應(yīng)用。但是由于材料本身像橡皮泥那樣柔軟、易變形而不能定型、不能承重等不足，使其目前無(wú)法直接應(yīng)用到汽車上，但該材料良好的安全防護(hù)性能在汽車上具有很大的應(yīng)用潛力，已經(jīng)陸續(xù)出現(xiàn)有很多相關(guān)的汽車專利。

2.7 其它智能材料

2.7.1 智能粘附材料

膠粘技術(shù)[57]在汽車領(lǐng)域已經(jīng)有了非常廣泛的應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)每輛轎車用膠約20 kg，從功能和部位角度出發(fā)，汽車用膠粘劑涉及涂裝工藝、汽車內(nèi)飾、裝配、焊裝工藝等，可以說汽車裝配的各個(gè)環(huán)節(jié)都用得到膠粘技術(shù)。因?yàn)槟z粘技術(shù)可以提高駕乘的舒適性、降低車內(nèi)噪音、減少振動(dòng)、降低重量、降低能耗、簡(jiǎn)化工藝、提高產(chǎn)品質(zhì)量，甚至達(dá)到焊接、鉚接等方法所難以達(dá)到的效果[58]。膠粘技術(shù)還受到很多限制，比如使用中存在污染、揮發(fā)異味、抗熱能力差等，在汽車智能化方面，最大的問題是粘附能力沒辦法可控，而具有可控粘附能力的智能粘附材料是未來(lái)汽車使用的一大趨勢(shì)。

科學(xué)家對(duì)于可逆粘附的材料已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究，薛龍建研究團(tuán)隊(duì)[59]受壁虎剛毛結(jié)構(gòu)啟發(fā)研究出遠(yuǎn)程可控結(jié)構(gòu)粘附材料，可以通過光照調(diào)節(jié)材料分子鏈構(gòu)象獲得可逆粘附能力（圖19a）。Barnaby 研究團(tuán)隊(duì)[60]研發(fā)出一種新型復(fù)合粘合劑，由聚氨酯作為連續(xù)相和1%～20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))商用且未改性的四氧化三鐵顆粒為分散相組成，對(duì)玻璃、木材、鋁合金、聚氯乙烯等多種材料的表面都顯示出了良好的粘附性（圖19b），同時(shí)只需將粘附制件置于振蕩磁場(chǎng)中利用磁滯生熱便可以實(shí)現(xiàn)粘合劑的脫粘。但是這些刺激響應(yīng)的粘附都在比較特殊的條件下實(shí)現(xiàn)，跟汽車實(shí)際應(yīng)用情況相差較遠(yuǎn)。

圖19 智能粘附材料

Grinstaff 等[61]介紹了一系列由碳酸酯三元共聚物組成的環(huán)保、可持續(xù)且快速響應(yīng)的聚合膠粘劑。這種膠粘劑不僅可與金屬、玻璃、木材，甚至還可以和PTFE牢固結(jié)合，并且在干燥和潮濕環(huán)境中均能通過調(diào)控溫度使其呈現(xiàn)出可逆的按需粘合（圖20），同時(shí)這種粘合劑能夠通過調(diào)控聚合物的組成和微觀結(jié)構(gòu)，以獲得所需的化學(xué)、物理、降解和機(jī)械性能。

圖20 溫度可控材料粘附實(shí)驗(yàn)[61]

雖然智能粘附材料的粘附能力可控，但是還是有很多問題，比如粘附強(qiáng)度遠(yuǎn)達(dá)不到汽車使用要求、控制粘附強(qiáng)度條件苛刻或不實(shí)用、工藝復(fù)雜、成本高等問題還需要繼續(xù)去解決。

2.7.2 自診斷材料

使用過程中，使用和維護(hù)費(fèi)用高昂。特別是復(fù)合材料本身的二維平面結(jié)構(gòu)決定了其抗沖擊損傷性能差，汽車在使用過程中受不利天氣條件，飛沙走石等外物的碰撞，會(huì)破壞復(fù)合材料完整性，在內(nèi)部微觀層面形成厚度方向（損傷容限能力最低）上的微裂紋和纖維與基體的分層，微裂紋一方面會(huì)聯(lián)合擴(kuò)展，另一方面還提供了污染物進(jìn)入結(jié)構(gòu)內(nèi)部的通道，這樣就大大降低了結(jié)構(gòu)承載能力，影響其使用壽命[15]。

碰撞時(shí)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集依賴于廣泛分布的傳感器，傳統(tǒng)的供能器件面臨著壽命短、維護(hù)成本高、環(huán)境污染等問題。最近，王中林課題組發(fā)展出一種可持續(xù)、免維護(hù)的傳感技術(shù)[62]。該自驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以同時(shí)檢測(cè)碰撞物的傳感速度、路徑追蹤和落點(diǎn)分布統(tǒng)計(jì)，記錄的完整數(shù)據(jù)可用于后續(xù)的大數(shù)據(jù)分析，給人們提供有效的評(píng)估和指導(dǎo)，可以精確分析有可能存在的裂紋等問題[62]。

由于自診斷材料都是學(xué)科交叉性很強(qiáng)的研究領(lǐng)域，涉及材料、機(jī)械、力學(xué)、信號(hào)識(shí)別、自動(dòng)控制、電磁學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等學(xué)科，科研難度很大，目前相關(guān)研究?jī)H處于初級(jí)階段，許多關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問題有待深入研究[4]。

2.7.3 聚合物長(zhǎng)余輝材料

2019 年，美國(guó)汽車協(xié)會(huì)（AAA）的一項(xiàng)研究顯示，所有汽車的行人檢測(cè)技術(shù)在夜間都是無(wú)效的，如何在低光照條件下提高汽車避免碰撞系統(tǒng)識(shí)別的準(zhǔn)確性是汽車制造商應(yīng)該注意的問題。如果有“夜明珠“的存在就可以大大提高夜晚識(shí)別的準(zhǔn)確度。

自古以來(lái)，“夜明珠”都被認(rèn)為是一種稀世珍寶，其本質(zhì)上是一種長(zhǎng)余輝材料，是一類吸收光線（可見光、紫外光、X-射線等）能量、并在激發(fā)停止后仍可繼續(xù)發(fā)出光的物質(zhì)，具有廣闊的應(yīng)用前景。以前的長(zhǎng)余輝材料都是一些天然礦石等無(wú)機(jī)物，最近黃維院士團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了聚合物長(zhǎng)余輝材料，該材料發(fā)光壽命為2.1 s，在高達(dá)170 ℃下，仍然保持良好的性能[63]。隨后該團(tuán)隊(duì)又發(fā)現(xiàn)了多彩長(zhǎng)余輝發(fā)光材料，獲得了一系列依賴激發(fā)波長(zhǎng)而具有動(dòng)態(tài)多彩長(zhǎng)余輝發(fā)光新材料[64]，長(zhǎng)余輝壽命為2.45 s。

這些“夜明珠”高分子材料可以給夜晚帶來(lái)光明，由于目前具有“夜明珠”功能的高分子材料的研究還處于初始階段，所具有“光明”的時(shí)間太短，合成及工藝復(fù)雜等問題，離實(shí)際應(yīng)用還很遙遠(yuǎn)，還需要繼續(xù)去研究。

3 結(jié)論

本文展望討論了幾種智能高分子材料已經(jīng)或未來(lái)可能在汽車智能化領(lǐng)域的應(yīng)用。對(duì)于智能高分子材料來(lái)說，雖然性能優(yōu)異，但是每種智能高分子材料在汽車上應(yīng)用還有其局限性。

（1）如何讓本征自修復(fù)材料具有外援自修復(fù)材料在斷裂處無(wú)需接觸的自修復(fù)能力；

（2）如何提高形狀記憶高分子材料的變形能力、強(qiáng)度和響應(yīng)速度；

（3）智能變溫材料需要研究無(wú)需外界幫助，只受溫度刺激既能吸熱又能放熱的材料；

（4）研究易生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)色變色材料；

（5）了解各種自清潔材料的結(jié)構(gòu)、機(jī)理且易生產(chǎn)、環(huán)保；

（6）研究可承重、可定型的剪切增稠材料；

（7）對(duì)于智能高分子材料，其功能特殊化、復(fù)合化以及結(jié)構(gòu)微型化將是研究的重點(diǎn)方向。

隨著智能高分子材料和汽車智能化的發(fā)展，智能高分子材料在汽車智能化上具有廣泛的應(yīng)用前景，也為未來(lái)實(shí)現(xiàn)汽車的智能化、輕量化、共享化、電動(dòng)化、網(wǎng)聯(lián)化、個(gè)性化、安全性、環(huán)保、時(shí)尚等具有重要的意義。