智能材料的研究與應(yīng)用

智能材料的研究與應(yīng)用

0材料本構(gòu)模型智能材料也被稱為機械材料，其概念來自模仿。不同于結(jié)構(gòu)材料和功能材料,智能材料能通過自身的感知而獲取外界信息,作出判斷和處理,發(fā)出指令,繼而調(diào)整自身的狀態(tài)以適應(yīng)外界環(huán)境的變化,從而實現(xiàn)自檢測、自診斷、自調(diào)節(jié)、自適應(yīng)、自修復(fù)等類似于生物系統(tǒng)的各種特殊功能。但是現(xiàn)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2種或2種以上的材料復(fù)合構(gòu)成一個智能材料系統(tǒng)。隨著現(xiàn)代材料科學(xué)、微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的快速發(fā)展,智能材料在許多領(lǐng)域已引起人們的興趣并展現(xiàn)出廣闊誘人的發(fā)展前景。1智能材料的基本組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)有機質(zhì)材料基體材料擔(dān)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)壓力、溫度、磁場、ph值敏感材料擔(dān)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)應(yīng)變和應(yīng)力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(dān)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)其他功能材料包括導(dǎo)電材料、磁性材料、光纖和半導(dǎo)體材料等。(5)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1所示為智能材料的基本構(gòu)成和工作原理。2金屬系智能材料可用于智能材料的材料種類在不斷擴大,因此智能材料的分類方法很多。一般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。3智能材料的廣泛應(yīng)用作為一種新興技術(shù)材料,智能材料的應(yīng)用日益引起人們的廣泛興趣,在軍事、醫(yī)學(xué)、建筑和紡織服裝等領(lǐng)域都有著廣闊的發(fā)展前景。3.1武器裝備未來發(fā)展的路徑智能材料在軍事應(yīng)用中具有很大的潛力,其研究、開發(fā)和利用,對未來武器裝備的發(fā)展將產(chǎn)生重大影響。目前,在各種軍事領(lǐng)域中,智能材料的應(yīng)用主要涉及到以下幾個方面。(1)美國《：大型機動環(huán)境是比陣風(fēng)鋒的大型發(fā)射材料,在美國第一光纖作為智能傳感元件用于飛機機翼的智能蒙皮中,或者在武器平臺的蒙皮中植入傳感元件、驅(qū)動元件和微處理控制系統(tǒng)制成的智能蒙皮,可用于預(yù)警、隱身和通信。1985年美國空軍的“預(yù)測計劃II”首先提出了光纖智能蒙皮/結(jié)構(gòu)的概念。隨著進一步的研究發(fā)展,1994年美國空軍動力飛行實驗室進行了結(jié)構(gòu)飛行演示,麥道公司對F-15戰(zhàn)斗機的外側(cè)前緣、F-18戰(zhàn)斗機的蒙皮進行了智能結(jié)構(gòu)飛行試驗。目前,為了未來的彈道導(dǎo)彈監(jiān)視和預(yù)警衛(wèi)星系統(tǒng),美國彈道導(dǎo)彈防御局正在研究在復(fù)合材料蒙皮中植入核爆光纖傳感器、X射線光纖探測器、激光傳感器、射頻天線等多種傳感器的智能蒙皮。這種智能蒙皮可以被安裝在天基防御系統(tǒng)空間平臺的表面上,實時監(jiān)視和預(yù)警來自敵方的各種威脅,預(yù)計在2010年前后能獲得初步應(yīng)用。美國空軍萊特實驗室正在把一個承載天線結(jié)合到表層結(jié)構(gòu)中,與傳統(tǒng)外部嵌置的天線相比,這種一體化結(jié)構(gòu)的天線能夠有效提高飛行器的空氣動力性能、減輕飛行器結(jié)構(gòu)重量和體積、提高天線性能、降低生產(chǎn)成本和維修費用。該計劃預(yù)計在2013年進行模型樣機的試飛。(2)狀態(tài)檢測與損傷估計智能結(jié)構(gòu)可以對構(gòu)件內(nèi)部的應(yīng)變、溫度、裂紋進行實時測量,探測其疲勞和受損傷情況,從而實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)進行監(jiān)測和對壽命進行預(yù)測。光纖具有尺寸小、質(zhì)量輕、可撓曲、耐腐蝕,不受電磁干擾,與復(fù)合材料有良好相容性等特點,且靈敏度高、耐高溫,易實現(xiàn)遠距離測量而受到人們的青睞。目前一些先進國家采用光纖智能材料與結(jié)構(gòu)進行復(fù)合材料的狀態(tài)檢測與損傷估計,即在材料或結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位埋置光纖傳感器或其陣列進行全壽命期實時監(jiān)測、損傷評估和壽命預(yù)測。空間站等大型在軌系統(tǒng)采用光纖智能結(jié)構(gòu),可實時探測由于交會對接碰撞、隕石撞擊或其他原因引起的損傷,對損傷進行評估,實施自診斷。壓電元件由于既可作傳感器又可作驅(qū)動器,頻響高,處理電路簡單,近年來基于壓電元件的結(jié)構(gòu)損傷實時在線檢測成為國際上的熱點。美國斯坦福大學(xué)采用分布式壓電傳感器、驅(qū)動器進行了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)所受沖擊機沖擊損傷情況的研究,荷蘭國家宇航實驗室、美國波音公司、美國Sandia及LosAlamos國家實驗室等研究機構(gòu)也都在進行這方面的研究。形狀記憶合金(SMA)應(yīng)用于智能復(fù)合材料是由于其在低溫下的形狀記憶功能和其在高溫下的超彈性,應(yīng)用最為廣泛的是NiTi合金。美國應(yīng)用SMA制成了夾心結(jié)構(gòu)樹脂基復(fù)合材料用于“柔性機翼”。該機翼在各種飛行速度下可自動保持最佳翼型,提高飛行效率,并可自行抑制出現(xiàn)的危險振動。(3)積分型智能結(jié)構(gòu)智能結(jié)構(gòu)用于航空航天系統(tǒng)可以消除系統(tǒng)的有害振動,減輕對電子系統(tǒng)的干擾,提高系統(tǒng)的可靠性;用于艦艇,可以抑制噪聲傳播,提高潛艇和軍艦的聲隱身性能。國外正在研究的具有減振降噪功能的智能結(jié)構(gòu)主要由壓電陶瓷、形狀記憶合金和電致伸縮等新材料制成。如Lord公司用超磁致伸縮材料研制的一套智能減震系統(tǒng),安裝在飛機發(fā)動機支架上,使機艙內(nèi)的噪聲減小20dB以上。將壓電材料置入飛機機身內(nèi),當(dāng)飛機遇到強氣流而振動時,壓電材料便產(chǎn)生電流,使艙壁發(fā)生和原來振動方向相反的振動,抵消氣流引起的振動噪音。(4)提高響應(yīng)和自適應(yīng)機翼模型由智能結(jié)構(gòu)制成的自適應(yīng)飛機機翼,能實時感知外界環(huán)境的變化,同時驅(qū)動機翼發(fā)生彎曲、扭轉(zhuǎn)以改變翼型和攻角,從而獲得最佳的氣動特性,自適應(yīng)機翼將大大減輕重量,提高響應(yīng)速度,減少轉(zhuǎn)彎半徑,改善雷達散射截面,增大升阻比。例如當(dāng)飛機在飛行過程中遇到渦流或猛烈的逆風(fēng)時,機翼中的智能材料就能迅速變形,并帶動機翼改變形狀,從而消除渦流或逆風(fēng)的影響,使飛機仍能平衡地飛行。美國Grumman飛機公司用超磁致伸縮智能型材料作驅(qū)動組元制造的自適應(yīng)機翼模型,其響應(yīng)速度比傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)提高了20倍,后緣傾轉(zhuǎn)60%,航程增加了35%。美國波音公司和麻省理工學(xué)院聯(lián)合研究出在槳葉中嵌入智能纖維,可使電致流變體時槳葉扭轉(zhuǎn)變形達幾度。3.2醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用智能材料與現(xiàn)代醫(yī)學(xué)聯(lián)系日益密切,一些傳統(tǒng)醫(yī)療方法得到革命性的改變,而智能材料醫(yī)療器械更是顯現(xiàn)出其巨大的優(yōu)勢。(1)納米皮膚材料科學(xué)家們已經(jīng)在實驗室里開發(fā)出了人造骨、人造血管、人造角膜、人造皮膚等人造器官。但安全性一直受到質(zhì)疑,美國藥物及食品管理局迄今為止只批準(zhǔn)了人造皮膚這一個產(chǎn)品的市場銷售。從20世紀(jì)80年代美國麻省理工學(xué)院的Bell教授發(fā)現(xiàn)纖維細胞可滲入膠原中生長并形成真皮類似結(jié)構(gòu)到后來在此基礎(chǔ)上開發(fā)的雙層人造皮膚Apligraft,人們一直想在這方面有更大的進展和突破。1994年意大利比薩大學(xué)的科研人員研制成功一種人造皮膚智能材料,這種材料能夠感知到溫度、熱流的變化以及各種應(yīng)力的大小,并具有良好的空間分辨力。2004年日本北里大學(xué)黑柳能光教授研制出一種新型人造皮膚,為重度燒傷及褥瘡患者帶來了福音。該人造皮膚是一層由膠原和透明質(zhì)酸制成的特殊海綿,海綿上附有志愿者提供的皮膚細胞。隨著科技的發(fā)展,學(xué)科的交叉滲透,相信這種人造皮膚智能材料會得到進一步的開發(fā)和利用。(2)溫敏水凝膠的作用機制智能型水凝膠作為醫(yī)藥控制釋放材料是近年研究的熱點,如:載胰島素的PMMA凝膠對胰島素的釋放受電場開-關(guān)的控制,具有通斷特性;溫敏水凝膠可作為骨架材料、控釋膜、微球及膠團藥物載體等應(yīng)用形式對藥物進行控釋;此外,有科學(xué)家正在研制一種能根據(jù)血液中葡萄糖濃度而擴張收縮的聚合物,這種聚合物可制成人造胰細胞,注入糖尿病患者的血液中,小球就可模擬胰細胞工作,使病人的血糖濃度始終保持在正常的水平上。(3)高分子聚合物藥物膠囊圖2所示為一種高分子聚合物抗癌藥物膠囊,即藥物“導(dǎo)彈”。圖中的疏水性藥物載體形成了“導(dǎo)彈”的疏水內(nèi)核,而親水性聚乙烯二醇則在內(nèi)核周圍形成了一個水化物外殼。這種高分子聚合物藥物膠囊是一種智能型藥物載體,它能自動避開機體內(nèi)單核吞噬細胞的捕獲而有效到達癌細胞所在地。20世紀(jì)90年代后期,利用對電磁場敏感的鐵氧體包覆Ti-Ni形狀記憶合金絲,Y.Furuya.等研制出了癌癥溫?zé)岑煼ㄓ冕?。首?通過導(dǎo)管將這種針植入病人癌變部位,由于形狀記憶作用,這種針會發(fā)生彎曲變形現(xiàn)象;其次,在通過渦流效應(yīng)產(chǎn)生高頻電磁場的作用下,形狀記憶合金針將產(chǎn)生一定的熱量而使癌變區(qū)得到萎縮。3.3自適應(yīng)變化結(jié)構(gòu)智能材料在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用研究也極為廣泛,在振動控制、損傷檢測、裂紋修復(fù)以及智能建筑材料方面均有涉及,并取得了一定的成效。1994年德國的Calgary市建成了第一座由預(yù)應(yīng)力碳纖維復(fù)合材料和鋼筋結(jié)構(gòu)組成的橋,在碳纖維中加入光纖布拉格光柵應(yīng)變傳感器構(gòu)成了智能結(jié)構(gòu),以檢測碳纖維預(yù)應(yīng)力的損失情況。在地震多發(fā)區(qū)應(yīng)用智能結(jié)構(gòu)的建筑物通過振動控制,將大大提高建筑物的抗震性。日本已研制成一種形狀記憶合金,通過對合金加熱收縮來防止裂紋的擴展,用于防止地震等造成的橋梁或大型建筑物的建筑、土木結(jié)構(gòu)的突發(fā)性破壞。美國人則通過研究,在建筑物的合成梁中埋入形狀記憶合金纖維,在熱電控制下,該纖維能像人的肌肉纖維一樣產(chǎn)生形狀和張力的變化,從而根據(jù)建筑物受到的振動改變梁固有剛性和固有振動頻率,減小振幅,使框架結(jié)構(gòu)的壽命大大延長。自修復(fù)行為是智能材料的一項重要功能。日本東北大學(xué)的三橋博三教授將內(nèi)含粘接劑的空心膠囊或玻璃纖維滲入混凝土材料中,若混凝土在外力作用下發(fā)生開裂,則部分膠囊或空心纖維會破裂,粘接液流出后深入裂紋,可使混凝土裂紋重新愈合。3.4自動調(diào)溫紡織品纖維狀智能材料——智能纖維是指當(dāng)纖維所處的環(huán)境發(fā)生變化時,纖維的形狀、溫度、顏色和滲透速率等隨之發(fā)生敏銳響應(yīng),即突躍性變化的纖維。智能纖維能感知環(huán)境的變化或刺激(機械、熱、化學(xué)、光、濕度、電磁等),并能作出反應(yīng)。一些工業(yè)發(fā)達國家已相繼開發(fā)了大批高性能、高功能的新一代化學(xué)纖維。由智能纖維做成的智能紡織品和智能服裝被一些專家認為是紡織服裝工業(yè)的未來。日本曾經(jīng)掀起形狀記憶合金襯衫熱,因為該類襯衫的纖維不縮不皺,洗后很快即可干燥,而且不需熨燙即可恢復(fù)筆挺的狀態(tài),因而受到單身上班族和家庭主婦的青睞。自動調(diào)溫紡織品是將相變蓄熱技術(shù)與紡織品制造技術(shù)相結(jié)合而開發(fā)出的一種高技術(shù)產(chǎn)品,具有自動吸收、儲存、分配和放出熱量的功能。可把相變材料經(jīng)過微膠囊化后結(jié)合到纖維中,織成面料做成服裝。穿著這種服裝的人在滑雪時,身體產(chǎn)生熱量,這些熱量會由相變材料吸收,停止活動時,身體變冷,相變材料將釋放熱量,進行溫度調(diào)節(jié),從而確保穿著者有一個舒適的溫度。這種自動調(diào)溫紡織品可用于服裝、室內(nèi)裝飾、床上用品、鞋襪以及醫(yī)療用品。飛利浦公司和Levi’s公司合作生產(chǎn)了一種音樂夾克,是把光纖和軟鍵盤埋入衣料內(nèi),并在衣領(lǐng)內(nèi)植入微型麥克風(fēng)和立體聲耳機,利用光纖將隨身攜帶的電子產(chǎn)品連接起來,實現(xiàn)對手機和播放機的控制,而麥克風(fēng)和耳機則可與外界對話和收聽廣播,從而形成了一個簡易的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。近年來比較熱的智能抗菌織物主要是在纖維內(nèi)部包藏了抗菌劑,保障了纖維的耐久性和安全性。也可將壓電材料粉末加入到纖維中,壓電粉末在受力后發(fā)生放電現(xiàn)象可使纖維具有良好的消除疲勞、抗菌、防臭等功能。4應(yīng)用研究與基礎(chǔ)研究并行發(fā)展智能材料與結(jié)構(gòu)發(fā)展異常迅速,雖然還是一個不成熟的領(lǐng)域,但由于應(yīng)用迫切,其應(yīng)用研究與基礎(chǔ)研究并行發(fā)展。作為一種新技術(shù),它在航空航天、國防軍事、建筑、紡織、醫(yī)學(xué)、汽車等部門都有著廣闊的發(fā)展前景,其未來熱點應(yīng)用主要集中在以下幾個方面。(1)“取代汽車”隨著智能材料與結(jié)構(gòu)的發(fā)展,“個人航空器”取代汽車已不再是科幻小說。目前已存在可調(diào)機翼的飛機,但像生命有機體一樣可以伸縮和有反應(yīng)能力的飛機和航天器將是研究的熱點。(2)智能材料傳感器的應(yīng)用隨著智能材料和人工智能技術(shù)特別是微型計算機技術(shù)的迅速發(fā)展,智能傳感器將在各個高新技術(shù)領(lǐng)域得到應(yīng)用。目前研制的智能材料傳感器如光纖傳感器、壓電傳感器、微芯片傳感器等在各領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)取得一定成效,未來的智能材料傳感器應(yīng)具有更強大的功能。如:傳感器自身能消除異常值和例外值,提供更全面、更真實的信息;除了自適應(yīng)和自調(diào)節(jié)功能外,還有一定的智能算法及自學(xué)習(xí)功能;可通過數(shù)字通信接口而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化和遠程控制等。(3)．網(wǎng)面為非年代的建筑智能材料的發(fā)展,特別是毫米塑料設(shè)想的提出,使智能化住宅的夢想離現(xiàn)實越來越近。可任意改變顏色的墻壁,根據(jù)人體需要可隨時調(diào)節(jié)溫度的水流,隨著季節(jié)變化可控溫度和濕度的房屋,所有的電器都是觸摸式的,永遠不會再有觸電的危險……。這種理想的智能化住宅將顯著提高人們的生活質(zhì)量。5全球智能材料的應(yīng)用前景可用作智能材料的材料種類在不斷擴大,所涉及到的各種材料、航空航天、醫(yī)藥學(xué)、生物學(xué)、信息處理、自動控制和計算機工程等都在快速發(fā)展。作為多種材料和高技術(shù)的綜合與集成,智能材料