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(dāng)處理且本身可執(zhí)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(shè)計(jì)材料之后的第四代材料，是現(xiàn)代高技術(shù)新材料發(fā)展的重要方向之一，將支撐未來高技術(shù)的發(fā)展，使傳統(tǒng)意義下的功能材料和結(jié)構(gòu)材料之間的界線逐漸消失，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能化、功能多樣化。科學(xué)家預(yù)言，智能材料的研制和大規(guī)模應(yīng)用將導(dǎo)致材料科學(xué)發(fā)展的重大革命。一般說來，智能材料有七大功能，即傳感功能、反饋功能、信息識(shí)別與積累功能、響應(yīng)功能、自診斷能力、自修復(fù)能力和自適應(yīng)能力。

    定義

    智能材料還沒有統(tǒng)一的定義。不過，現(xiàn)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(huán)境（包括內(nèi)環(huán)境和外環(huán)境）刺激，對(duì)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(yīng)的智能特征的材料。具體來說，智能材料需具備以下內(nèi)涵：

    （1）具有感知功能，能夠檢測(cè)并且可以識(shí)別外界（或者內(nèi)部）的刺激強(qiáng)度，如電，光，熱，應(yīng)力，應(yīng)變，化學(xué)，核輻射等；

    （2）具有驅(qū)動(dòng)功能，能夠響應(yīng)外界變化；

    （3）能夠按照設(shè)定的方式選擇和控制響應(yīng)；

    （4）反應(yīng)比較靈敏，及時(shí)和恰當(dāng)；

    （5）當(dāng)外部刺激消除后，能夠迅速恢復(fù)到原始狀態(tài)。

    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。。

    分類

    作為一種新型材料，一般認(rèn)為，智能材料由傳感器或敏感元件等與傳統(tǒng)材料結(jié)合而成。這種材料可以自我發(fā)現(xiàn)故障，自我修復(fù)，并根據(jù)實(shí)際情況作出優(yōu)化反應(yīng)，發(fā)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(jié)構(gòu)或智能材料系統(tǒng)。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(cè)外界環(huán)境給予的信息，控制處理器指揮和激勵(lì)驅(qū)動(dòng)元件，執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。

    （2）有些材料微觀結(jié)構(gòu)本身就具有智能功能，能夠隨著環(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(dǎo)體等。

    這只是一種比較籠統(tǒng)的分類方法，由于智能材料還在不斷的研究和開發(fā)之中，因此相繼又出現(xiàn)了許多具有智能結(jié)構(gòu)的新型的智能材料。如，英國宇航公司在導(dǎo)線傳感器，用于測(cè)試飛機(jī)蒙皮上的應(yīng)變與溫度情況；英國開發(fā)出一種快速反應(yīng)形狀記憶合金，壽命期具有百萬次循環(huán)，且輸出功率高，以它作制動(dòng)器時(shí)、反應(yīng)時(shí)間，僅為10分鐘；在壓電材料、磁致伸縮材料、導(dǎo)電高分子材料、電流變液和磁流變液等智能材料驅(qū)動(dòng)組件材料在航空上的應(yīng)用取得大量創(chuàng)新成果。

    研究方向

    智能材料是一種集材料與結(jié)構(gòu)、智然處理、執(zhí)行系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和傳感系統(tǒng)于一體的復(fù)雜的材料體系。它的設(shè)計(jì)與合成幾乎橫跨所有的高技術(shù)學(xué)科領(lǐng)域。構(gòu)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(dǎo)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(xiàn)將使人類文明進(jìn)入一個(gè)新的高度，但距離實(shí)用階段還有一定的距離。今后的研究重點(diǎn)包括以下六個(gè)方面：

    （1） 智能材料概念設(shè)計(jì)的仿生學(xué)理論研究

    （2） 材料智然內(nèi)稟特性及智商評(píng)價(jià)體系的研究

    （3）耗散結(jié)構(gòu)理論應(yīng)用于智能材料的研究

    （4） 機(jī)敏材料的復(fù)合-集成原理及設(shè)計(jì)理論

    （5） 智能結(jié)構(gòu)集成的非線性理論

    （6） 仿人智能控制理論

    常見智能材料

    1.壓電材料

    壓電材料是一種能夠?qū)崿F(xiàn)電能與機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的機(jī)敏材料，壓電材料主要包括無機(jī)壓電材料、有機(jī)壓電材料和壓電復(fù)合材料 3類。居里兄弟在對(duì)石英晶體的介電現(xiàn)象和晶體對(duì)稱性的試驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)，壓電效應(yīng)分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng) 2種情況。當(dāng)機(jī)械力作用在其上時(shí)，內(nèi)部正負(fù)電荷中心發(fā)生相對(duì)位移而產(chǎn)生電的極化，就是正壓電效應(yīng)

    2.形狀記憶合金形狀記憶合金

    是自執(zhí)行智能材料的一種。20世紀(jì) 60年代美國海軍軍械研究所的Buehler在研究中發(fā)現(xiàn)了鎳鈦（Ni -Ti）合金具有“形狀記憶效應(yīng)”，并以此為基礎(chǔ)研究了形狀記憶合金。利用這一特性可以制成理想驅(qū)動(dòng)器，因其被加熱至奧氏體溫度時(shí)，可自行恢復(fù)到原形狀。其通常以細(xì)絲狀態(tài)用于智能結(jié)構(gòu)，主要適合于低能量要求的低頻和高撞擊應(yīng)用。目前形狀記憶材料已經(jīng)形成了相對(duì)較大的一個(gè)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(zhí)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(tài)下是流體，其中自由分布著許多細(xì)小可極化懸浮顆粒，當(dāng)這種流體處于電場或磁場中，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(qiáng)度的半固體，這樣的電流變體或磁流變體具有響應(yīng)快、阻尼大、功耗小的特點(diǎn)。

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責(zé)任編輯：王元

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