智能材料的應用及發展趨勢
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- 1_4097836_智能材料的應用及發展趨勢智能材料的應用及發展趨勢
摘 要 ：材料的智能化代表了材料科學發展的最新方向。智能材料的研究主要是依照仿生學方法, 采用各種先進復合技術, 實現復雜材料體系的多功能復合,并最終實現材料智能化和器件集成化。本文介紹了智能材料的種類及國內外關于智能材料的研究現狀，并對智能材料的研究方向和發展應用趨勢進行了論述。
關鍵詞 智能材料 應用 發展趨勢
引言
材料是人類生活和生產的基礎，一般將其劃分為結構材和功能材料兩人類、對結構材料主要要求的是其機械強度;而對功能材料則側重于其特有的功能，智能材料不同于傳統的結構材料和功能材料，它模糊了兩者之間的界限，并加上了信息科學的內容，實現了結構功能化、功能智能化。由智能材料組成的智能結構具備傳感、驅動和控制二個基本要素，能通過自身的感知，做出判斷，發出指令，并執行和完成動作，實現自檢測、自診斷、自監控、自校正自修復及自適應等多種功能。當前，科學技術的發展對材料性能的要求越來越大，材料智能化的概念己極人地影響著人們在材料設計、制造和應用過程中的思維方式，光導纖維傳感技術、微電子學技術、自組裝材料制備技術以及其他相關技術的發展又給智能材料與結構的研究提供了新的研究手段、打開了更多的想象空間。
1智能材料的研究現狀
智能材料發展隨著科技、航天技術、智能化建筑等要求的提高，近年來正不斷快速進步。近年來，國際上關于智能材料的研究和學術活動十分活躍；我國對這一新興學科的研究也十分重視，國家自然科學基金、航空基金等從1993年起每年都將智能材料列入研究計劃項日，此后的資助強度不斷加大。國內己有一批研究單位在該領域的研究達到國際先進水平。
1.1 壓電智能材料
壓電效應是指在材料上施加機械力應力時，材料的某些表面會產生電荷，這種現象被稱為正壓電效應；與此相對應，如對材料的某些表面施加電場，則材料會產生幾何變形，此現象被稱為逆壓電效應。壓電智能材料包括壓電陶瓷、壓電
聚合物和壓電復合材料等。而且新一代的壓電材料還具有了條件反射和指令分析的能力。其特征和運轉方式類似于人的神經系統，可執行類似于大腦的指令。壓電材料的這種獨特功能，使其在智能材料系統中具有廣闊的應用前景。
壓電陶瓷，一種能夠將機械能和電能互相轉換的功能陶瓷材料，屬于無機非金屬材料。壓電陶瓷具有敏感的特性，可以將極其微弱的機械振動轉換成電信號，可用于聲納系統、氣象探測、遙測環境保護、家用電器等。壓電陶瓷對外力的敏感使它甚至可以感應到十幾米外飛蟲拍打翅膀對空氣的擾動，用它來制作壓電地震儀，能精確地測出地震強度，指示出地震的方位和距離。壓電陶瓷在電場作用下產生的形變量很小，最多不超過本身尺寸的千萬分之一，別小看這微小的變化，基于這個原理制作的精確控制機構——壓電驅動器，對于精密儀器和機械的控制、微電子技術、生物工程等領域都是一大福音。
壓電聚合物智能材料，如聚氟乙烯，突出的優點是具有低的聲阻抗和介電常數，柔軟性好，耐擊穿。美國佛羅里達人學制成了壓電聚合物傳感器，用以識別盲文書信和小同級別的砂紙，具有接近100%的準確性，在勘探和目標識別中大有前途。日前，壓電材料己成功應用于各種光跟蹤系統、自適應光學系統、機器人位移定位器、磁頭、噴墨打印機和揚聲器等高科技領域。
1.2形狀記憶智能材料
形狀記憶材料是指具有一定初始形狀的合金在低溫下經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成初始形狀的一類合金。形狀記憶合金具有的能夠記住其原始形狀的功能稱為形狀記憶效應。研究表明, 很多合金材料都具有形狀記憶效應 ,但只有在形狀變化過程中產生較大回復應變和較大形狀回復力的,才具有利用價值。到目前為止,應用得最多的是Ni2Ti合金和銅基合金(CuZnAl和CuAlNi)。
形狀記憶合金作為一種特殊的新型功能材料,是集感知與驅動于一體的智能材料,因其功能獨特,可以制作小巧玲瓏、高度自動化、性能可靠的元器件而備受矚目,并獲得了廣泛應用。
現在，美國己制造出用形狀記憶合金作為致動器的樹脂基復合材料夾心結構的“柔性機翼”；該機翼可在各種飛行速度下始終自動保持最佳翼型，大幅度提升飛行效率，可對出現的危險振動自行抑制、形狀記憶合金隨溫度變化而改變其彈性模量，可以作為力學執行器和剛性執行器，控制運動和形狀、日本人制成了一種形狀記憶合金，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、上木結構的突發性破壞。美國人在建筑物的合成梁中埋植形狀記憶合金纖維，在熱電控制卜，能像人的肌肉纖維一樣產生形狀和張力的變化，從而根據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，使框架結構的壽命大大延長、形狀記憶合金在自動探測和自動控制等方而取得了很大的講展。
1.2光纖智能材料
早在1991年美國就提出智能構件“健康”監控系統（SHMS）其中的傳感材料就是光纖。人們最初關心的是光纖維材料的埋入，是否會引起材料層間斷裂韌性的下降或基體材料的損傷。后來的實驗表明，對環氧復合材料埋入光纖，并沒有降低拉伸強度和壓縮強度，也沒有引起層間斷裂韌性的降低。
目前，人們使用光纖已制作成各種埋入式復合材料傳感器，其作用有（1）監測復合材料加工制造過程，隨時報告加工過程中出現的缺陷；（2）監測飛行器結構所處的狀態，隨時報告疲勞和溫度等情況；（3）利用光纖傳感器和神經網絡處理器對結構進行在線綜合評估。已試用的光纖傳感器有（1）微彎光纖時域反射分布應變傳感器；（2）動態偏振光纖應變傳感器；（3）干涉應變傳感器；（4）Bragg Gtrating分布傳感器。與這些傳感器相結合，發展了諸如光纖反...
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