智能材料概述

智能材料概述材料的智能化代表了材料科學發(fā)展的最新方向，智能材料的研究主要是依照仿生學方法，采用各種先進復(fù)合技術(shù)，實現(xiàn)復(fù)雜材料體系的多功能復(fù)合，并最終實現(xiàn)材料智能能化和器件集成化，文章在簡要介紹有關(guān)材料概念的基礎(chǔ)上，又重點介紹了記憶合金的特征、功能和應(yīng)用及其現(xiàn)有的不足。智能材料概述所謂智能材料，是指能感知外部刺激、能判斷并恰當處理、且本身可執(zhí)行的材料。智能材料的構(gòu)想來源于仿生，其最初目標就是研制出一種具有類似于生物功能的“活”的材料。因此智能材料必須具備感知、驅(qū)動和控制這3個基本要素。.智能材料的功能和特性智能材料往往具有或部分具有如下的智能功能和生命特征：（1）傳感功能一能夠感知外界或自身所處的環(huán)境條件，如負載、應(yīng)力、應(yīng)變、振動、熱、光、電、磁、化學和核輻射等的強度及其變化。（2）反饋功能一可通過傳感網(wǎng)絡(luò)對系統(tǒng)輸入與輸出信息進行對比，并將其結(jié)果提供給控制系統(tǒng)。（3）信息識別與積累功能一能夠識別傳感網(wǎng)絡(luò)得到的各類信息并將其積累起來。（4）響應(yīng)功能一能夠根據(jù)外界環(huán)境和內(nèi)部條件變化，適時動態(tài)地做出相應(yīng)的反應(yīng)，并采取必要行動。（5）自診斷能力一能通過分析比較系統(tǒng)目前的狀況與過去的情況，對諸如系統(tǒng)故障與判斷失誤等問題進行自診斷并予以校正。（6）自修復(fù)能力一能通過自繁殖、自生長、原位復(fù)合等再生機制，來修補某些局部損傷或破壞。（7）自調(diào)節(jié)能力一對不斷變化的外部環(huán)境和條件，能及時地自動調(diào)整自身結(jié)構(gòu)和功能，并相應(yīng)地改變自己的狀態(tài)和行為，始終以一種優(yōu)化方式對外界變化做出恰如其分的響應(yīng)。.智能材料的基本構(gòu)成和工作原理智能材料一般由基體材料、敏感材料、驅(qū)動材料和信息處理器4部分組成。（1） 基體材料：基體材料擔負著承載的作用,一般宜選用輕質(zhì)材料。高分子材料重量輕、耐腐蝕,具有粘彈性的非線性特征而成為首選,其次也可選用金屬材料,以輕質(zhì)有色合金為主（2） 敏感材料敏感材料擔負著傳感的任務(wù),其主要作用是感知環(huán)境變化（包括壓力、應(yīng)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(qū)動材料因為在一定條件下驅(qū)動材料可產(chǎn)生較大的應(yīng)變和應(yīng)力，所以它擔負著響應(yīng)和控制的任務(wù)。常用驅(qū)動材料有形狀記憶材料、壓電材料、電流變體和磁致伸縮材料等（4） 其它功能材料包括導(dǎo)電材料、磁性材料、光纖和半導(dǎo)體材料等。（5） 工作原理一信息處理器信息處理器是核心部分,它對傳感器輸出信號進行判斷處理。圖為智能材料的基本構(gòu)成和工作原理。3.智能材料的分類若按功能來分可以分為光導(dǎo)纖維、形狀記憶合金、壓電、電流變體和電(磁)致伸縮材料等。若按來源來分，可以分為金屬系智能材料、無機非金屬系智能材料和高分子能材料的應(yīng)用系智能材料。金屬系智能材料目前所研究開發(fā)的主要有形狀記憶合金和形狀記憶復(fù)合材料兩大類;無機非金屬系智能材料在電流變體、壓電陶瓷、光致變色和電致變色材料等方面發(fā)展較快;高分子系智能材料的范圍很廣泛，有高分子凝膠、智能高分子膜材、智能型藥物釋放體系和智能高分子基復(fù)合材料等。4.形狀記憶智能材料目前應(yīng)用最廣的智能材料莫過于形狀記憶合金，形狀記憶合金(ShapeMemoryAlloy,SMA)是指具有一定初始形狀的合金在低溫下經(jīng)塑性形變并固定成另一種形狀后，通過加熱到某一臨界溫度以上又可恢復(fù)成初始形狀的一類合金。到目前為止，應(yīng)用得最多的是Ni2Ti合金和銅基合金(CuZnAl和CuAlNi)。4.1記憶合金的分類單程記憶效應(yīng)：形狀記憶合金在較低的溫度下變形，加熱后可恢復(fù)變形前的形狀，這種只在加熱過程中存在的形狀記憶現(xiàn)象稱為單程記憶效應(yīng)。雙程記憶效應(yīng)：某些合金加熱時恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時又能恢復(fù)低溫相形狀，稱為雙程記憶效應(yīng)。全程記憶效應(yīng)：加熱時恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時變?yōu)樾螤钕嗤∠蛳喾吹牡蜏叵嘈螤?，稱為全程記憶效應(yīng)。4.2記憶合金的效應(yīng)原理SMA的形狀記憶效應(yīng)源于熱彈性馬氏體相變，這種馬氏體一旦形成，就會隨著溫度下降而繼續(xù)生長，如果溫度上升它又會減少，以完全相反的過程消失。兩項自由能之差作為相變驅(qū)動力。兩項自由能相等的溫度T0稱為平衡溫度。只有當溫度低于平衡溫度T0時才會產(chǎn)生馬氏體相變，反之，只有當溫度高于平衡溫度T0時才會發(fā)生逆相變。在SMA中，馬氏體相變不僅由溫度引起，也可以由應(yīng)力引起，這種由應(yīng)力引起的馬氏體相變叫做應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變，且相變溫度同應(yīng)力呈線性關(guān)系。至今為止發(fā)現(xiàn)的記憶合金體系A(chǔ)u-Cd、Ag-Cd、Cu-Zn、Cu-Zn-Al、Cu-Zn-Sn、Cu-Zn-Si、Cu-Sn、Cu-Zn-Ga、In-Ti、Au-Cu-Zn、Fe-Pt、Ti-Ni、Ti-Ni-Pd、Ti-Nb、U-Nb和Fe-Mn-Si等。4.3記憶合金的應(yīng)用

1969年，竦-鈦合金的形狀記憶效應(yīng)第一次在工業(yè)上應(yīng)用。人們采用了一種與眾不同的管道接頭裝置。為了將兩根需要對接的金屬管連接，選用轉(zhuǎn)變溫度低于使用溫度的條件下做成內(nèi)徑比待對接管子外徑略微小一點的短管，然后在低于其轉(zhuǎn)變溫度下將其內(nèi)徑稍加擴到該接頭的轉(zhuǎn)變溫度時，接頭就自動收縮而扣緊被接管道,形成牢固緊密的連接。美國在某種噴氣式戰(zhàn)斗機的油壓系統(tǒng)中便使用了這種竦-鈦合金接頭，從未發(fā)生過漏油,脫落或破損事故。由于記憶合金的特殊的記憶功能，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于航空、衛(wèi)星、醫(yī)療、生物工程、能源和自動化等方面。航空航天工業(yè)在航天方面，常用Ni-Ti合金制成天線。用在宇宙飛船上的天線是非常龐大的，呈半球月面狀。若用普通金屬制成這樣的天線，由于宇宙飛船的體積是有限的，無法把它帶上去，但采用記憶溫度為40攝氏度的Ni-Ti合金在40攝氏度以上做成月面天線，然后再冷卻到40攝氏度以下，這時天線就可以折疊成一個小球團，從而達到方便的裝進宇宙飛船的目的。當宇宙飛船到達月球后，受到太陽光的強烈照射，小球團的溫度很容易達到40攝氏度以上，此時它就恢復(fù)原來的形狀，張開呈傘面開始工作。毗的.秘，. =?? 毗的.秘，. =?? …生物醫(yī)療臨床上用的最普遍的是竦鈦（Ni-Ti）形狀記憶合金（SMA），簡稱NT—SMA。NT-SMA是集耐磨、耐腐蝕、形狀記憶效應(yīng)偽弱性和聲阻尼等性能于一體的新材料，有熱彈力型的馬氏體變態(tài)，有種種難以想象的性質(zhì)。采用Ni-Ti合金做成人體用的生物植入件，如牙齒矯正絲。用超彈性Ti-Ni合金絲和不銹鋼絲做的牙齒矯正絲，其中用超彈性Ti-Ni合金絲是最適宜的。通常牙齒矯形用不銹鋼絲Co-Cr合金絲，但這些材料有彈性模量高，彈性應(yīng)變小的缺點。為了給出適宜的矯正力，在矯正前就要加工成弓形，而且結(jié)扎固定要求熟練。如果用Ti-Ni合金作牙齒矯形絲，即使應(yīng)變高達10%也不會產(chǎn)生塑性變形。這種材料不僅操作簡單，療效好，也可減輕患者不適感。日常生活火災(zāi)檢查閥門?；馂?zāi)中，當局部地方升溫時閥門會自動關(guān)閉，防止了危險氣體進入。這種特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)點是，它具有檢查閥門的操作，然后又能復(fù)位到安全狀態(tài)；這種火災(zāi)檢查閥門在半導(dǎo)體制造業(yè)中得到使用，在半導(dǎo)體制造的擴散過程中使用了有毒的氣體；這種火災(zāi)檢查閥也可在化學和石油工廠應(yīng)用。4.4存在的問題在SMA的研究和應(yīng)用中,目前尚存在許多有待解決的問題，例如：（1）由于SMA的各種功能均依賴于馬氏體相變，需要不斷對其加熱、冷卻及加載、卸載且材料變化具有遲滯性，因此SMA只適用于低頻（10Hz以下）窄帶振動中,這就大大限制了材料的應(yīng)用。SMA自身存在損傷和裂紋等缺陷，如何克服這些缺陷，改善材料性能是當前迫切需要解決的問題。在醫(yī)學應(yīng)用方面,還需繼續(xù)研究SMA的生物相容性和細胞毒性。發(fā)展趨勢及展望目前，世界上許多國家都已開展對智能材料的研究，其發(fā)展將全面提高材料的設(shè)計和應(yīng)用水平。智能材料涉及的領(lǐng)域非常廣泛，它是一種軍民兩用技術(shù)，不但在宇航及國防工業(yè)，而且在民用方面，有著極為廣泛的應(yīng)用前景。智能材料的應(yīng)用還能節(jié)省資源、減少污染等，其經(jīng)濟效益和社會效益是巨大的。作為方興未艾的高新技術(shù)，智能結(jié)構(gòu)的潛在發(fā)展有著廣闊的天地。我相信在中國新一代的化學人手中，智能材料會大放異彩。感想雖然新能源材料這節(jié)課是限選課，但我覺得對材化的學生來說很有必要，課上老師會給我們介紹一些前沿的科研成果以及專業(yè)高效的研究方法，對我們的專業(yè)學習很有幫助，而且老師在布置作業(yè)的時候也要求了大家寫近三年的研究內(nèi)容，雖然在找資料的時候有些困難，很多內(nèi)容也是似懂非懂，但我個