智能材料及其發(fā)展

1、智能材料及其發(fā)展1. 材料的發(fā)展材料是人類用于制造物品、器件、構(gòu)件、機器或者其他產(chǎn)品的物質(zhì)，是人類生活、生產(chǎn)的基礎(chǔ)，是人類認識自然和改造自然的工具，與信息、能源并列為人類賴以生存、現(xiàn)代文明賴以發(fā)展的三大支柱。材料也是人類進化的標志之一，一種新材料的出現(xiàn)必將促進人類文明的發(fā)展和科技的進步，從人類出現(xiàn)，經(jīng)歷舊石器時代、新石器時代、青銅時代，一直到21世紀，材料及材料科學的發(fā)展一直伴隨著人類的文明的進步。在人類文明的進程中，材料大致經(jīng)歷了一下五個發(fā)展階段。1） 利用純天然材料的初級階段：在遠古時代人類只能利用純天然材料（如石頭、草木、野獸毛皮、甲骨、泥土等），也就是通常所說的舊石器時代。這一階段人類

2、只能對純天然材料進行簡單加工。2） 單純利用火制造材料階段：這一階段跨越了新石器時代、青銅時代和鐵器時代，它們風別已三大人造材料為象征，即陶、銅、鐵。這一時期人類利用火來進行燒結(jié)、冶煉和加工，如利用天然陶土燒制陶、瓷、磚、瓦以及后來的玻璃、水泥等，從天然礦石中提煉銅、鐵等金屬。3） 利用物理和化學原理合成材料階段：20世紀初，隨著科學的發(fā)展和各種檢測手段及儀器的出現(xiàn)，人類開始研究材料的化學組成、化學鍵、結(jié)構(gòu)及合成方法，并以凝聚態(tài)物理、晶體物理、固體物理為基礎(chǔ)研究材料組成、結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系，并出現(xiàn)了材料科學。這一時期，人類利用一系列物理、化學原理、現(xiàn)象來創(chuàng)造新材料，這一時期出現(xiàn)的合成高分子材

3、料與已有的金屬材料、陶瓷材料（無機非金屬材料）構(gòu)成了現(xiàn)代材料的三大支柱。除此之外，人類還合成了一系列的合金材料和無機非金屬材料，如超導(dǎo)材料、光纖材料、半導(dǎo)體材料等。4） 材料的復(fù)合化階段：這一階段以20世紀50年代金屬陶瓷的出現(xiàn)為開端，人類開始使用新的物理、化學技術(shù)，根據(jù)需要制備出性能獨特的材料。玻璃鋼、鋁塑薄膜、梯度功能材料以及抗菌材料都是這一階段的杰出代表，它們都是為了適應(yīng)高科技的發(fā)展和提高人類文明進步而產(chǎn)生的。5） 材料的智能化階段：自然界的材料都具有自適應(yīng)、自診斷、自修復(fù)的功能。如所有的動物和植物都能在沒有受到毀滅性打擊的情況下進行自診斷和修復(fù)。受大自然的啟發(fā)，近三四十年的研發(fā)，一些人

4、工材料已經(jīng)具備了其中的部分功能，即我們所說的智能材料，如形狀記憶合金、光致變色玻璃等。但是從嚴格意義上將，目前研制成功的智能材料離理想的智能材料還有一定的距離。材料科學的發(fā)展主要集中在以下幾個方面：超純化（從天然材料到復(fù)合材料）、量子化（從宏觀控制到微觀和介觀控制）、復(fù)合化（從單一到復(fù)合）、智能化（從主動到被動）、可設(shè)計化（從經(jīng)驗到理論）。2. 材料的智能化2.1 智能材料智能材料概念是由日本高木俊宜教授1989年1 1 月在日本科學技術(shù)廳航空、電子等技術(shù)評審會上提出的，同期美國在航空、宇宙領(lǐng)域中對傳感功能和執(zhí)行功能的適應(yīng)性結(jié)構(gòu)物、靈巧結(jié)構(gòu)物的研究也較活躍，因此人們逐漸將它們均統(tǒng)稱為智能材料與

5、智能系統(tǒng)。一般來說，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，并對其進行分析、處理、判斷，并采取一定的措施進行適度響應(yīng)的含智能特征的材料。智能材料的構(gòu)想米源于仿生（就是模仿大自然中生物的一些獨特功能制造人類使用的工具， 如模仿蜻蜓制造飛機等）。 它的目標是想研制出一種材料，使它成為具有類似于生物的各種功能的“活”的材料。因此智能材料必須具備感知、驅(qū)動和控制這三個基本要素。但是現(xiàn)有的材料大都比較單一，難以滿足智能材料的要求，所以一般由兩種或兩種以上的材料復(fù)合構(gòu)成一個智能材料系統(tǒng)。這就使得智能材料的設(shè)計、制造、加工和性能結(jié)構(gòu)特征均涉及材料學的最前沿領(lǐng)域， 使智能材料代表了材料科學的最活

6、躍的方面和最先進的發(fā)展方向。智能材料包括壓電材料、電致伸縮、磁致伸縮、形態(tài)記憶合金和智能凝膠等材料。前面四種均具有在外場下可以移動的自結(jié)晶邊界界定的疇結(jié)構(gòu)，它們響應(yīng)刺激產(chǎn)生的形狀變化使其可作為執(zhí)行元件。高分子凝膠則為大分子構(gòu)成的三維網(wǎng)絡(luò)，其結(jié)構(gòu)中含有能對外界環(huán)境(溫度、電場及化學物質(zhì))響應(yīng)的部分，利用其大分子鏈或鏈段的構(gòu)象與結(jié)構(gòu)或基團的重排可使凝膠體積發(fā)生突變轉(zhuǎn)變，由此可調(diào)控其刺激響應(yīng)性。2.2 生物材料智能化生物材料（biomaterial）是用于對生物體進行診斷、治療，修復(fù)或替換其病損組織與器官、增進其功能的新型高技術(shù)材料。它是研究人工器官和醫(yī)療器械的基礎(chǔ)，已成為材料學科的一個重要研究分支

7、，尤其是隨著生物技術(shù)的蓬勃發(fā)展和重大突破，已成為各國科學家競相進行研發(fā)的熱點。當代生物材料已處于實現(xiàn)重大突破的邊緣，在不遠的將來，科學家有可能借助于生物材料設(shè)計和制造完整的人體器官，生物材料和制品產(chǎn)業(yè)將發(fā)展為21 世紀世界經(jīng)濟的一個支柱產(chǎn)業(yè)。由生物分子構(gòu)成了生物材料，再由生物材料構(gòu)成了生物部件。生物體內(nèi)各種材料和部件有各自的生物功能。它們是“活”的，也是被整體生物控制的。生物材料中有很多結(jié)構(gòu)材料，包括骨、牙等硬組織材料和肌肉、臟、皮膚等軟組織材料；還有許多功能材料所構(gòu)成的功能部件，如眼球晶狀體是由晶狀體蛋白包在上皮細胞組成的薄膜內(nèi)而形成的無散射、無吸收、可連續(xù)變焦的廣角透鏡。在生物體內(nèi)生長著不

8、同功能的材料和部件，材料科學的發(fā)展方向之一是模擬這些生物材料制造人工材料。它們可以做生物部件的人工替代物，也可以在非醫(yī)學領(lǐng)域中使用，前者如人工瓣膜、人工關(guān)節(jié)等，后者則有模擬生物蒙古合劑、模擬酶、模擬生物膜等。下面從幾個角度介紹生物材料智能化的發(fā)展及現(xiàn)狀。1）智能生物材料及組織工程：從材料科學與工程觀點，可以將組織視同細胞復(fù)合材料。它由具有功能作用的細胞及其合成的細胞外基質(zhì)（ECMs）構(gòu)建。組織工程是工程科學與生命科學的交叉與融合，著眼于開發(fā)細胞外基質(zhì)的取代物，以修復(fù)、控仰、剪切、維持或改善組織功能。這-組織工程領(lǐng)域正在形成新學科，孕育著新的高科技產(chǎn)業(yè)。組織工程的發(fā)展對生物材料提出了挑戰(zhàn)，即期望

9、它能仿照目標細胞的微環(huán)境，使細胞粘連、遷移、增殖與分化， 讓細胞保持其功能，實施營養(yǎng)物和代謝物的傳遞、能量傳遞、信息傳輸，以維持細胞增殖、分化和凋亡的適宜平衡，構(gòu)成工程化的組織。2）可以新陳代謝的材料：新陳代謝是生物體醫(yī)治傷殘的自我修復(fù)功能的根源，這種功能已成為對工業(yè)材料的一個研制目標，就是使疲勞或龜裂的材料休一段時間（不使用）后能恢復(fù)原來的狀態(tài)。3）向外部告知狀態(tài)的材料：生物的功能之一就是能告訴與正常情況的偏離。平時不愛動的人，偶爾運動，腿就會痛。熬夜眼睛就會充血， 胃不好舌頭就起白苔，這些都是對異常的警告信號。因此最好讓材料具備一種功能，當它在反復(fù)應(yīng)力作用下疲勞，或長時間加負載產(chǎn)生蠕變而接

10、近斷裂時，材料本身就變色或向外部告訴這種變化情況。即使材料本身做不到這一步，也可以在材料中重要的部位埋入小的傳感器（不能影響其強度），例如光色器在受反復(fù)應(yīng)力時特性發(fā)生變化的半導(dǎo)體能起這種作用，材料本身可變色，或能用非接觸檢測器從外部檢測就可以了。2.3 功能材料智能化功能材料是指那些具有優(yōu)良的電學、磁學、光學、熱學、聲學、力學、化學、生物醫(yī)學等功能，能產(chǎn)生特殊的物理、化學、生物學效應(yīng)，能完成功能相互轉(zhuǎn)化，主要用來制造各種功能元器件而被廣泛應(yīng)用于高科技領(lǐng)域的高新技術(shù)材料，新材料領(lǐng)域的核心，是國民經(jīng)濟、社會發(fā)展及國防建設(shè)的基礎(chǔ)和先導(dǎo)。功能材料不僅對高新技術(shù)的發(fā)展起著重要的推動和支撐作用，還對相關(guān)傳

11、統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的改造和升級，實現(xiàn)跨越式發(fā)展起著重要的促進作用。為將生物體組織所具有的剌激響應(yīng)功能引人到工業(yè)材料并開發(fā)現(xiàn)智能材料發(fā)達國家正加大投人，組織共同研究實體，開展國際合作。目前在國際上比較有代表性的研究有如下幾種：1）實驗室中生長的角膜：角膜是一種透明且富有韌性的組織，其功能是容許光透過并保護眼內(nèi)器官，角膜受傷或疾患會使它變渾濁，損及視力，甚至失明。雖可用正常角膜進行移植，但供體有限，科學家們正努力用培養(yǎng)的人角膜細胞構(gòu)建人角膜取代物。角膜含有三類細胞，即構(gòu)成外層的上皮細胞、聚集在基膜的角質(zhì)形成細胞及內(nèi)層的內(nèi)皮細胞。采用戊二醋交聯(lián)的膠原-硫酸軟骨索基質(zhì)作為組織基材，將人死亡后的角膜低傳代細胞分別按

12、層次種植形成基質(zhì)層、上皮層和下皮層。此類結(jié)構(gòu)物置于適宜的培養(yǎng)介質(zhì)中， 一旦底層的上應(yīng)融合，再將其置于空氣中使它分化成多層。也可把角膜內(nèi)皮放在底層，在空氣-液體界面頂層與低傳代人角膜細胞來構(gòu)筑角膜取代物。組裝的角膜取代物分化兩周再應(yīng)用。角膜取代物的總體形態(tài)、透明性和組織學上均和人角膜類似。添加血纖蛋白修飾基質(zhì)，可使其生成血管，這種取代物具有移植前景。2）光驅(qū)動元件：日本學者用紫外線輻照芳基乙炔化合物單晶使其轉(zhuǎn)變成藍色， 且它們的表面產(chǎn)生階梯或谷槽狀皺紋，將此結(jié)晶暴露于可見光，則又回復(fù)無色和平整狀態(tài)，這種可逆的形狀變化可望用做光驅(qū)動納米元件。時間延長，階梯數(shù)目增多且其高度增大，變化至少達1nm。這

13、是因為芳基乙炔化合物閉環(huán)使分子堆砌較緊密，在可見光下處于開環(huán)型，化合物的噻吩環(huán)旋轉(zhuǎn)且拉伸，使谷槽填實或階梯平整。這一實例說明某些結(jié)晶能在外界刺激下發(fā)生內(nèi)部變化，改變其形貌，且能重新以有序方式愈合。3）特異蛋白質(zhì)：日本學者以免疫球蛋白G 作為抗原及相應(yīng)山芋抗體，將其分別修飾水凝膠的聚合物鏈，使抗原和抗體結(jié)合形成凝膠的交聯(lián)位點。添加自由抗原導(dǎo)致其對抗體的競爭結(jié)合，干擾交聯(lián)水凝膠可逆溶脹。此水凝膠可用于智能藥物釋放裝置。專一抗原能引導(dǎo)裝置靶向癌細胞，凝膠在此抗原存在時才釋放抗癌藥物。他們正在探索將生物化學相互作用（即生物分子間的結(jié)合作用）轉(zhuǎn)變成機械力。4）化學組裝電子納米計算機：美國科學家和惠普公司

14、的研究者們將許多分子開關(guān)和納米導(dǎo)線組裝成邏輯電路與記憶電路，試圖創(chuàng)建納米計算機。他們利用氧化還原活性索炬，將磷脂質(zhì)抗衡離子單層插入兩電極間構(gòu)成固態(tài)分子開關(guān)裝置。施加不同的電壓能使開關(guān)重復(fù)“開啟”和“關(guān)閉”，且寫入狀態(tài)。2.4 結(jié)構(gòu)材料智能化結(jié)構(gòu)材料是以力學性能為基礎(chǔ)，來制造受力構(gòu)件的材料，此外結(jié)構(gòu)材料對物理或化學性能也有一應(yīng)的要求，如光澤、熱導(dǎo)率、抗輻照、抗腐蝕、抗氧化性等。陶瓷及其復(fù)合材料經(jīng)常被用作結(jié)構(gòu)材料，但由于可靠性低而使其應(yīng)用受到局限，陶瓷承受應(yīng)力時會因裂縫的擴展而引起其前端應(yīng)力集中導(dǎo)致破壞。 陶瓷的力學性質(zhì)難于確保，而壽命預(yù)測又較困難。陶瓷材料可靠性取決于：1）確立能測定微細結(jié)構(gòu)的非

15、破壞性檢驗方法; 2）建立斷裂行為解析為基礎(chǔ)的可靠性試驗法；3）分散增強、纖維增強和層壓等復(fù)合增韌， 此類方法雖近年來進展顯著，但還不能充分確保其可靠性。因而出現(xiàn)了可對材料自身損傷完成診斷和壽命預(yù)告的智能材料。此類材料能檢測和診斷其損傷程度，即具有“自行診斷功能” ， 且有認知損傷程度的“損傷顯示功能”，更能使創(chuàng)傷自我修復(fù)，即具有“自修復(fù)”和“自愈合功能”及在使用環(huán)境下形成材料結(jié)構(gòu)的“自組裝功能”。再者從降低環(huán)境負荷和再循環(huán)角度，還要求材料具有“自分解性”和“自轉(zhuǎn)變性”。因而，結(jié)構(gòu)材料的智能化與功能材料相比要困難得多，它要求材料能檢出（診斷）缺陷、由熱歷史和力學歷史伴生的微小裂紋以、及殘余應(yīng)力

16、等引 起的材料內(nèi)部微小損傷，以預(yù)測其危險性。結(jié)構(gòu)材料智能化的相關(guān)傳感功能實施可利用入射激光損耗（光纖復(fù)合化）、電導(dǎo)率的變化（碳纖維復(fù)合化）、表面彈性波、聲發(fā)射和磁變形效應(yīng)等原理. 執(zhí)行動能常采用壓電元件使基材變形，即微裂縫閉合;或讓形狀記憶合金通電加熱產(chǎn)生相轉(zhuǎn)變，使龜裂閉合。結(jié)構(gòu)材料的智能化不能損及力學性能。金屬間化合物不僅耐熱， 且力學性能良好，還具有形狀記憶功能、高磁導(dǎo)率、疲勞誘發(fā)相轉(zhuǎn)變現(xiàn)象和儲氧功能等特點。3. 智能材料的發(fā)展趨勢現(xiàn)代航空、航天、艦船、原子能、交通、機械、建筑、醫(yī)療等工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展，使得原來應(yīng)用的各種材料，除了具有使用功能外，還要求具有安全性，即具有實現(xiàn)自診斷、損傷f印制

17、、自修復(fù)相壽命預(yù)報等功能，智能材料則完全可以實現(xiàn)這些要求，智能材料的概念一經(jīng)提出，立即引起美國、日本和歐洲等發(fā)達國家重視，并投巨資成立專門機構(gòu)開展這方面研究。目前，智能材料的研究經(jīng)過基礎(chǔ)性研究與探索，已在基本原理、傳感器研制、作動器研制、功能器件與復(fù)合材科之間匹配技術(shù)、智能材料成型工藝技術(shù)、智能材料在特殊環(huán)境下的性能評價、主動控制智能器件等方面開展了許多工作，取得較大突破并且已經(jīng)從基礎(chǔ)性研究進入到預(yù)研和應(yīng)用性研究階段，預(yù)計在未來的十年內(nèi)智能材料的研究將全面實用化，且實驗室研究進入實際結(jié)構(gòu)全面實用階段。隨著未來航空、航天、機械、電子、建筑、交通、醫(yī)療等軍用及民用工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展，必將對智能材料系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)的應(yīng)用提出更高的要求，而智能材料也必將向更高層次發(fā)展，其發(fā)展趨勢將體現(xiàn)在以下幾個主要方面:1）傳感器和作動器的多功能集成：一種傳感器和作動器具有多個功能，是未來傳感器和作動器的發(fā)展趨勢，如埋入智能建筑結(jié)構(gòu)中的光纖傳感器既可以監(jiān)測結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變，同時還可以監(jiān)測它的腐蝕情況，作動器既可以改變形狀，又可以改變自身的顏色等。2）“材料結(jié)構(gòu)系統(tǒng)”一體化的智能系統(tǒng)自功化設(shè)計與制造：未來的智能材料應(yīng)該實現(xiàn)從材料的制備到結(jié)構(gòu)的制造，進一步形成智能系統(tǒng)的整個過程的自動化。3）智能材料器件