智能材料

智能材料還沒有統一的定義。不過，現有的智能材料的多種定義仍然是大同小異。大體來說，智能材料就是指具有感知環境(包括內環境和外環境)刺激，對之進行分析、處理、判斷，並採取一定的措施進行適度響應的智能特徵的材料。具體來說，智能材料需具備以下內涵：

(1)具有感知功能，能夠檢測並且可以識別外界(或者內部)的刺激強度，如電，光，熱，應力，應變，化學，核輻射等；

(2)具有驅動功能，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，及時和恰當；

(5)當外部刺激消除后，能夠迅速恢復到原始狀態。

智能材料又可以稱為敏感材料，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，智能材料由感測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現故障，自我修復，並根據實際情況作出優化反應，發揮控制功能。智能材料可分為兩大類：

（1）嵌入式智能材料，又稱智能材料結構或智能材料系統。在基體材料中，嵌入具有感測、動作和處理功能的三種原始材料。感測元件採集和檢測外界環境給予的信息，控制處理器指揮和激勵驅動元件，執行相應的動作。

（2）有些材料微觀結構本身就具有智能功能，能夠隨著環境和時間的變化改變自己的性能，如自濾玻璃、受輻射時性能自衰減的Inp半導體等。

這只是一種比較籠統的分類方法，由於智能材料還在不斷的研究和開發之中，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感測器，用於測試飛機蒙皮上的應變與溫度情況；英國開發出一種快速反應形狀記憶合金，壽命期具有百萬次循環，且輸出功率高，以它作制動器時、反應時間，僅為10分鐘；在壓電材料、磁致伸縮材料、導電高分子材料、電流變液和磁流變液等智能材料驅動組件材料在航空上的應用取得大量創新成果。

一般來說智能材料由基體材料、敏感材料、驅動材料和信息處理器四部分構成。

（1）基體材料

基體材料擔負著承載的作用，一般宜選用輕質材料。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性特徵。其次也可選用金屬材料，以輕質有色合金為主。

（2）敏感材料

敏感材料擔負著感測的任務，其主要作用是感知環境變化（包括壓力、應力、溫度、電磁場、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）驅動材料

因為在一定條件下驅動材料可產生較大的應變和應力，所以它擔負著響應和控制的任務。常用有效驅動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。可以看出，這些材料既是驅動材料又是敏感材料，顯然起到了身兼二職的作用，這也是智能材料設計時可採用的一種思路。

（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。

在建築方面，科學家正集中力量研製使橋樑、高大的建築設施以及地下管道等能自診其“健康”狀況，並能自行“醫治疾病”的材料。英國科學家已開發出了兩種“自癒合”纖維。這兩種纖維能分別感知混凝土中的裂紋和鋼筋的腐蝕，並能自動粘合混凝土的裂紋或阻止鋼筋的腐蝕。粘合裂紋的纖維是用玻璃絲和聚丙烯製成的多孔狀中空纖維，將其摻入混凝土中后，在混凝土過度撓曲時，它會被撕裂，從而釋放出一些化學物質，來充填和粘合混凝土中的裂縫。防腐蝕纖維則被包在鋼筋周圍。當鋼筋周圍的酸度達到一定值時，纖維的塗層就會溶解，從纖維中釋放出能阻止混凝土中的鋼筋被腐蝕的物質。

在飛機製造方面，科學家正在研製具有如下功能的智能材料：當飛機在飛行中遇到渦流或猛烈的逆風時，機翼中的智能材料能迅速變形，並帶動機翼改變形狀，從而消除渦流或逆風的影響，使飛機仍能平穩地飛行。可進行損傷評估和壽命預測的飛機自診斷監測系統。該系統可自行判斷突然的結構損傷和累積損傷，根據飛行經歷和損傷數據預計飛機結構的壽命，從而在保證安全的情況下，大大減少停飛檢修次數和常規維護費用，使商業飛機能獲得可觀的經濟效益。此外，還有人設想用智能材料製成塗料，塗在機身和機翼上，當機身或機翼內出現應力時，塗料會改變顏色，以此警告。

在醫療方面，智能材料和結構可用來製造無需馬達控制並有觸覺響應的假肢。這些假肢可模仿人體肌肉的平滑運動，利用其可控的形狀回復作用力，靈巧地抓起易碎物體，如盛滿水的紙杯等。藥物自動投放系統也是智能材料一顯身手的領地。日本推出了一種能根據血液中的葡萄糖濃度而擴張和收縮的聚合物。葡萄糖濃度低時，聚合物條帶會縮成小球，葡萄糖濃度高時，小球會伸展成帶。藉助於這一特性，這種聚合物可製成人造胰細胞。將用這種聚合物包封的胰島素小球，注入糖尿病患者的血液中，小球就可以模擬胰細胞工作。血液中的血糖濃度高時，小球釋放出胰島素，血糖濃度低時，胰島素被密封。這樣，病人血糖濃度就會始終保持在正常的水平上。

軍事方面，在航空航天器蒙皮中植入能探測激光、核輻射等多種感測器的智能蒙皮，可用於對敵方威脅進行監視和預警。美國正在為未來的彈道導彈監視和預警衛星研究在複合材料蒙皮中植入核爆光纖感測器、X射線光纖探測器等多種智能蒙皮。這種智能蒙皮將安裝在天基防禦系統平台表面，對敵方威脅進行實時監視和預警，提高武器平台抵禦破壞的能力。智能材料還能降低軍用系統雜訊。美國軍方發明出一種可塗在潛艇上的智能材料，它可使潛艇雜訊降低60分貝，並使潛艇探測目標的時間縮短100倍。

除上述幾個方面外，智能材料的再一個重要進展標誌就是形狀記憶合金，或稱記憶合金。這種合金在一定溫度下成形后，能記住自己的形狀。當溫度降到一定值（相變溫度）以下時，它的形狀會發生變化；當溫度再升高到相變溫度以上時，它又會自動恢復原來的形狀。記憶合金的基礎研究和應用研究已比較成熟。一些國家用記憶合金製成了衛星用自展天線。在稍高的溫度下焊接成一定形狀后，在室溫下將其摺疊，裝在衛星上發射。衛星上天后，由於受到強的日光照射，溫度會升高，天線自動展開。除此之外，還有人用記憶合金製成了窗戶自動開閉器。當溫度升至一定程度後窗戶自動打開，溫度下降時自動關閉。用記憶合金作支撐架的乳罩也很有特色，乳罩在水中可以任意揉搓清洗，但當它被戴到身上時會自動保持自己的形狀，並能根據穿著者體形的變化在一定範圍內變化。

智能材料是一種集材料與結構、智然處理、執行系統、控制系統和感測系統於一體的複雜的材料體系。它的設計與合成幾乎橫跨所有的高技術學科領域。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文明進入一個新的高度，但距離實用階段還有一定的距離。今後的研究重點包括以下六個方面：

（1）智能材料概念設計的仿生學理論研究

（2）材料智然內稟特性及智商評價體系的研究

（3）耗散結構理論應用於智能材料的研究

（4）機敏材料的複合-集成原理及設計理論

（5）智能結構集成的非線性理論

（6）仿人智能控制理論

智能材料的構想來源於仿生（仿生就是模仿大自然中生物的一些獨特功能製造人類使用的工具，如模仿蜻蜓製造飛機等等），它的目標就是想研製出一種材料，使它成為具有類似於生物的各種功能的“活”的材料。因此智能材料必須具備感知、驅動和控制這三個基本要素。但是現有的材料一般比較單一，難以滿足智能材料的要求，所以智能材料一般由兩種或兩種以上的材料複合構成一個智能材料系統。這就使得智能材料的設計、製造、加工和性能結構特徵均涉及到了材料學的最前沿領域，使智能材料代表了材料科學的最活躍方面和最先進的發展方向。

因為設計智能材料的兩個指導思想是材料的多功能複合和材料的仿生設計，所以智能材料系統具有或部分具有如下的智能功能和生命特徵：

（1）感測功能（Sensor）

能夠感知外界或自身所處的環境條件，如負載、應力、應變、振動、熱、光、電、磁、化學、核輻射等的強度及其變化。

（2）反饋功能（Feedback）

可通過感測網路，對系統輸入與輸出信息進行對比，並將其結果提供給控制系統。

（3）信息識別與積累功能

能夠識別感測網路得到的各類信息並將其積累起來。

（4）響應功能

能夠根據外界環境和內部條件變化，適時動態地作出相應的反應，並採取必要行動。

（5）自診斷能力（Self-diagnosis）

能通過分析比較系統的狀況與過去的情況，對諸如系統故障與判斷失誤等問題進行自診斷並予以校正。

（6）自修復能力（Self-recovery）

能通過自繁殖、自生長、原位複合等再生機制，來修補某些局部損傷或破壞。

（7）自調節能力（Self-adjusting）

對不斷變化的外部環境和條件，能及時地自動調整自身結構和功能，並相應地改變自己的狀態和行為，從而使材料系統始終以一種優化方式對外界變化作出恰如其分的響應。

1．壓電材料

壓電材料是一種能夠實現電能與機械能相互轉化的機敏材料，壓電材料主要包括無機壓電材料、有機壓電材料和壓電複合材料3類。居里兄弟在對石英晶體的介電現象和晶體對稱性的試驗研究中發現了壓電效應，壓電效應分為正壓電效應和逆壓電效應2種情況。當機械力作用在其上時，內部正負電荷中心發生相對位移而產生電的極化，就是正壓電效應

2．形狀記憶合金

形狀記憶合金是自執行智能材料的一種。20世紀60年代美國海軍軍械研究所的Buehler在研究中發現了鎳鈦（Ni-Ti）合金具有“形狀記憶效應”，並以此為基礎研究了形狀記憶合金。利用這一特性可以製成理想驅動器，因其被加熱至奧氏體溫度時，可自行恢復到原形狀。其通常以細絲狀態用於智能結構，主要適合於低能量要求的低頻和高撞擊應用。目前形狀記憶材料已經形成了相對較大的一個門類，主要分為：形狀記憶合金、形狀記憶陶瓷、形狀記憶聚合物。

3．電流變液

電流變液也是自執行智能材料的一種，是與磁流變體性能極為相似的混合物。這種材料在常態下是流體，其中自由分佈著許多細小可極化懸浮顆粒，當這種流體處於電場或磁場中，在電場或磁場的作用下，其中的懸浮顆粒很快形成鏈狀，從而形成具有一定屈服強度的半固體，這樣的電流變體或磁流變體具有響應快、阻尼大、功耗小的特點。