智能材料，離我們有多遠(yuǎn)

海川

科學(xué)家預(yù)言，智能材料的研制和大規(guī)模應(yīng)用將是21世紀(jì)材料科學(xué)發(fā)展的重大革命

我們正進(jìn)入一個(gè)神奇的智能化時(shí)代，智能手機(jī)、智能電視、智能穿戴、智能IC卡、智能交通、智能電網(wǎng)、智能建筑、智能小區(qū)、智慧農(nóng)業(yè)、智慧醫(yī)療、智慧養(yǎng)老、智慧城市……一系列冠以“智能”或“智慧”的產(chǎn)品和應(yīng)用越來越多地出現(xiàn)在人們的視野中，給人們的工作、學(xué)習(xí)和生活提供了快捷、便利和史無前例的智能化體驗(yàn)。

無論是產(chǎn)品的智能化，還是行業(yè)和系統(tǒng)的智能化，其實(shí)現(xiàn)都離不開互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)以及以新材料為支撐的智能器件和智能終端的發(fā)展進(jìn)步。其中，作為新材料當(dāng)中具有智能化特性的材料，雖然在智能時(shí)代具有廣闊的發(fā)展前景，并與我們的日常生活息息相關(guān)，但由于智能材料是應(yīng)用產(chǎn)品的基礎(chǔ)材料，而且大多處于技術(shù)研發(fā)階段，所以并不為外界所關(guān)注。

例如，某些太陽(yáng)鏡的鏡片當(dāng)中就含有智能材料，這種智能材料能感知周圍的光，并能夠?qū)獾膹?qiáng)弱進(jìn)行判斷。此外，智能材料還應(yīng)用于手機(jī)、電視機(jī)、衣物服飾、自動(dòng)點(diǎn)火煤氣灶、眼鏡架、牙齒矯正、人造骨骼、機(jī)器人、彈性電路板、藝術(shù)設(shè)計(jì)、工程建筑、航空航天、國(guó)防軍事等各個(gè)領(lǐng)域。

請(qǐng)看這些神奇的智能材料應(yīng)用：人造皮膚，通過“壓電效應(yīng)”把壓力轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，從而讓機(jī)器人可以利用這種材料產(chǎn)生觸覺；記憶合金，可應(yīng)用于各類醫(yī)療植入物，在特定的溫度下變化出需要的形狀；柔性顯示屏，這種顯示屏是通過有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）技術(shù)制作出來的可變型可彎曲顯示裝置，其具有低功耗性，是一種直接可視的柔性面板。

彈性電路板，由于電路板本身具有彈性，可適應(yīng)各種形狀的外殼，甚至可以直接嵌入衣服內(nèi)部，這種彈性材料能實(shí)現(xiàn)任意的形狀而不影響開發(fā)板本身的性能，給可穿戴設(shè)備的開發(fā)提供了更多設(shè)計(jì)上的可能性；LED“刺繡”，利用延展性極強(qiáng)的金屬導(dǎo)體配合LED燈泡，所制成的“布料”可塑性極強(qiáng)，可以把LED的燈光效果“披掛”在不同的形狀的物體表面。無論是在場(chǎng)景裝飾還是服飾設(shè)計(jì)上，這款“布料”都能為設(shè)計(jì)師們解決在設(shè)計(jì)時(shí)遇到的大部分問題。

在中國(guó)，智能材料已列入《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》（2006～2020 年）中，成為國(guó)家科技發(fā)展重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容之一?！缎虏牧袭a(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》也將智能材料作為前沿新材料予以重視，提出“加強(qiáng)基礎(chǔ)材料研究，開發(fā)智能材料與結(jié)構(gòu)制備加工技術(shù)，發(fā)展形狀記憶合金、應(yīng)變電阻合金、磁致伸縮材料、智能高分子材料和磁流變液體材料等。

作為現(xiàn)代高技術(shù)新材料發(fā)展的重要方向之一，智能材料將支撐未來高技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)家預(yù)言，智能材料的研制和大規(guī)模應(yīng)用將是21世紀(jì)材料科學(xué)發(fā)展的重大革命。

不同尋常的結(jié)構(gòu)與功能

智能材料（Intelligent material），是一種能感知外界環(huán)境或內(nèi)部狀態(tài)、并能夠判斷、適當(dāng)處理且本身可執(zhí)行的新型功能材料。其構(gòu)想來源于仿生學(xué)，科學(xué)家們的目標(biāo)就是想研制具有類似于生物各種功能的“活”材料，因此智能材料必須具備感知（傳感）、驅(qū)動(dòng)（執(zhí)行）和控制這三個(gè)基本要素。

由于一種材料的功能較單一，難以滿足要求，所以智能材料是一個(gè)由多種材料組元通過有機(jī)的緊密復(fù)合或嚴(yán)格的科學(xué)組裝而構(gòu)成的材料系統(tǒng)，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。

智能材料一般由基體材料、傳感材料、驅(qū)動(dòng)材料和信息處理器（控制系統(tǒng)）組成。基體材料是起承載作用的智能材料結(jié)構(gòu)，應(yīng)選用輕質(zhì)的材料。高分子材料由于其質(zhì)輕、耐腐蝕、粘彈性、非線性等特征而成為首選。另外也可選用金屬材料，以強(qiáng)度較高的輕質(zhì)有色金屬合金為主。

傳感材料是在智能材料中起著傳感作用的結(jié)構(gòu)，主要作用是感知壓力、應(yīng)力、溫度、電磁場(chǎng)、PH值（酸堿度）等環(huán)境的變化。形狀記憶材料、電致變色材料、磁致伸縮材料、光纖材料、壓電材料、電流變體和液晶材料等都是常用的感知材料。

驅(qū)動(dòng)材料是智能材料中起著響應(yīng)作用的結(jié)構(gòu)，前面提到的形狀記憶材料、壓電材料、磁致伸縮材料和電流變體等傳感材料也都屬于執(zhí)行材料。信息處理器的主要作用是處理傳感器輸出的信號(hào)，是智能材料核心部分。另外還有一些配合特殊性能的其他功能材料，包括導(dǎo)電材料、磁性材料、光纖和半導(dǎo)體材料等。

敏感材料與驅(qū)動(dòng)材料構(gòu)成機(jī)敏材料，即同時(shí)具有感知與驅(qū)動(dòng)功能的材料。（如圖1所示）機(jī)敏材料自身不具備信息處理和反饋機(jī)制，不具備順應(yīng)環(huán)境的自適應(yīng)性。而智能材料是機(jī)敏材料和控制系統(tǒng)相結(jié)合的產(chǎn)物，集傳感、控制和驅(qū)動(dòng)三種職能于一身，是傳感材料、驅(qū)動(dòng)材料和控制材料（系統(tǒng)）的有機(jī)合成。（如圖2所示）智能材料可通過自身對(duì)信息進(jìn)行感知、處理并將指令反饋給驅(qū)動(dòng)器執(zhí)行和完成相應(yīng)的動(dòng)作，對(duì)環(huán)境作出靈敏、恰當(dāng)?shù)姆磻?yīng)。

智能材料的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，決定了其擁有不同尋常的功能和能力。

智能材料的分類及其應(yīng)用

智能材料可以從不同的角度進(jìn)行分類，按照材料的組成可分為金屬智能材料、無機(jī)非金屬系智能材料和高分子系智能材料3種類型。

金屬智能材料，主要包括由力和溫度控制的形狀記憶合金（SMA）、由磁場(chǎng)控制的磁致伸縮材料，它們都是重要的執(zhí)行材料。無機(jī)非金屬智能材料，主要在壓電陶瓷、電致伸縮陶瓷、電（磁）流變體、光致變色和電致變色材料等方面發(fā)展較快。高分子智能材料，由于是人工合成，品種多、范圍廣，所形成的智能材料也極其廣泛，其中主要有形狀記憶高分子、智能凝膠、壓電高分子、藥物控制釋放體系、智能膜等。

下面介紹幾種常見的智能材料及其應(yīng)用：

1、形狀記憶合金

形狀記憶合金是感知溫度（ 以及力） 而產(chǎn)生形狀改變的一類智能材料。1932年，瑞典人奧蘭德在金鎘合金中首次觀察到“記憶”效應(yīng)，即合金的形狀被改變之后，一旦加熱到一定的躍變溫度時(shí)，它又可以魔術(shù)般地變回到原來的形狀，人們把具有這種特殊功能的合金稱為形狀記憶合金。

20世紀(jì)60年代，美國(guó)海軍軍械研究所的Buehler在研究中發(fā)現(xiàn)了鈦鎳（Ti- Ni）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。其中，鈦鎳記憶合金具有輸出應(yīng)變與輸出功率大、綜合力學(xué)性能高、可加工性好等優(yōu)點(diǎn)。

形狀記憶合金主要應(yīng)用于機(jī)械工程、醫(yī)療器械、航空航天、工程建筑、交通運(yùn)輸以及日常生活中。日常生活中，利用記憶合金推出了不少新穎別致的商品，如眼鏡架、汽車的外殼等，在現(xiàn)代機(jī)器人領(lǐng)域也常常用來制作機(jī)器人的夾持器。

2、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（分為壓電晶體和壓電陶瓷）、有機(jī)壓電材料和壓電復(fù)合材料3類。居里（Curie）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)兩種情況。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)。

壓電材料能夠?qū)崿F(xiàn)電能與機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化，具有制作簡(jiǎn)單、成本低、換能效率高等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于熱、光、聲、電子學(xué)等領(lǐng)域。隨著壓電材料制備技術(shù)的發(fā)展， 壓電材料在日常生活、生物工程、軍事、光電信息、能源、高鐵等領(lǐng)域有著廣泛而重要的應(yīng)用。在日常生活方面，壓電材料的應(yīng)用相當(dāng)普遍，例如，手機(jī)、電視機(jī)、錄像機(jī)、自動(dòng)點(diǎn)火煤氣灶、霧化加濕器、B超、彩超、超聲美容、降脂器、理療儀等。在軍事方面，壓電陶瓷制成的聲吶系統(tǒng)能在水中發(fā)聲、接受聲波，也可用于水下、地球物理探測(cè)，以及聲波測(cè)試、夜視裝置、紅外探測(cè)器等方面。此外，還可以利用壓電陶瓷的智能功能控制飛機(jī)、潛艇的噪聲。

在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，生物壓電陶瓷主要用于實(shí)現(xiàn)生物仿生。例如，聚偏氟乙烯（P V D F）薄膜可用在人體和動(dòng)物器官的超聲成像測(cè)量中，還可用來模擬人體皮膚。在光電信息方面，壓電材料主要可用于聲表面濾波器、光快門、光波導(dǎo)調(diào)制器、光顯示和光存儲(chǔ)等，還可以用在機(jī)器人和其它智能結(jié)構(gòu)中，對(duì)外界產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行處理、傳輸、儲(chǔ)存。壓電材料也可以適用于高頻和中等行程控制，包括各種光跟蹤系統(tǒng)、自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)、機(jī)器人微定位器、磁頭或噴墨打印器和揚(yáng)聲器等。

半個(gè)多世紀(jì)以來，這一巨大的產(chǎn)業(yè)一直由一種性能優(yōu)異的壓電材料——被稱為壓電材料之王的鋯鈦酸鉛（PZT）所統(tǒng)治。但是，由于PZT 含有對(duì)人體和環(huán)境有害的鉛，歐盟、日本、美國(guó)、中國(guó)等世界主要國(guó)家都在近年相繼立法禁止或限制使用含鉛等有害材料。因此，尋找能夠替代PZT 的無鉛高性能壓電材料已成為世界性的緊迫課題，它關(guān)系到一個(gè)國(guó)家在極大范圍內(nèi)的經(jīng)濟(jì)和產(chǎn)業(yè)影響力。

3、電流變液

電流變液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(chǎng)或磁場(chǎng)中，在電場(chǎng)或磁場(chǎng)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)。

近年來，電流變液組分不斷改進(jìn)，電流變液的電流變效應(yīng)更加明顯，同時(shí)與電腦結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，使得電流變技術(shù)在機(jī)械工程、汽車工程、控制工程等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

在汽車工程方面，根據(jù)電流變技術(shù)原理，構(gòu)成液-機(jī)耦合的機(jī)制，可設(shè)計(jì)出全新的汽車結(jié)構(gòu)、新穎的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、減震裝置、制動(dòng)裝置等。與傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品相比，具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化、應(yīng)用簡(jiǎn)便、靈敏度高、噪聲小、壽命長(zhǎng)、成本低、易于實(shí)現(xiàn)電腦控制的特點(diǎn)，從而在汽車傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)重大創(chuàng)新，或?qū)⑦M(jìn)一步引發(fā)一場(chǎng)汽車技術(shù)革命。

在機(jī)械工程方面，電流變流體材料主要用于制作各種力學(xué)零件（如無級(jí)變速器等）、振動(dòng)隔離系統(tǒng)（如避振減振裝置等）、研究膠體系統(tǒng)的傳熱和傳質(zhì)現(xiàn)象以及開發(fā)雙管熱交換器和再生熱交換器。在智能控制領(lǐng)域，電流變液可作為便于控制、連續(xù)可調(diào)的阻尼介質(zhì)，廣泛用于民用航空、機(jī)械工程、控制工程和機(jī)器人等領(lǐng)域?；陔娏髯凅w的阻尼器，通過合理控制電流的大小，調(diào)節(jié)阻尼器的阻尼特性，擴(kuò)大了阻尼器的適用范圍，改善了阻尼器的減震效果。

4、磁致伸縮材料

磁致伸縮材料能夠在外磁場(chǎng)作用下伸長(zhǎng)和縮短，實(shí)現(xiàn)電磁能和機(jī)械能之間的快速和高效轉(zhuǎn)化。因此，它是兼有大輸出力和納米級(jí)高控制精度的重要智能材料。在航空航天高精度對(duì)地觀測(cè)、太空望遠(yuǎn)鏡等掃描和定位系統(tǒng)的納米級(jí)高精度微位移控制、航空航天裝備的高精度主動(dòng)減振、潛艇高分辨聲納技術(shù)以及民用高技術(shù)等領(lǐng)域均有重要的應(yīng)用前景。

國(guó)內(nèi)外智能材料產(chǎn)業(yè)規(guī)模

1、國(guó)內(nèi)智能材料市場(chǎng)情況

從智能材料發(fā)展的政策支持層面來看，《新材料產(chǎn)業(yè)“十二五”重點(diǎn)產(chǎn)品目錄》涉及到的重點(diǎn)產(chǎn)品包括銅基形狀記憶合金、鐵基形狀記憶合金、鈦鎳基形狀記憶合金、金屬磁致伸縮材料、稀土磁致伸縮材料、壓電材料、高性能電流變材料及彈性體、形狀記憶高分子聚合物、智能高分子膜等19種基礎(chǔ)材料。

從智能材料的應(yīng)用需求來看，隨著4G移動(dòng)通信、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、三網(wǎng)融合、下一代互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、游戲機(jī)、消費(fèi)電子、可穿戴設(shè)備等硬件產(chǎn)品的更新?lián)Q代和推出，以及國(guó)內(nèi)電子整機(jī)產(chǎn)品逐漸采用片式元件設(shè)計(jì)方案，壓電晶體材料的市場(chǎng)需求將會(huì)不斷增長(zhǎng)。

從研發(fā)智能材料的企業(yè)來看，國(guó)內(nèi)上市公司主要有紫光股份、樂普醫(yī)療、有研硅股、晨晶電子、無錫惠豐、先鋒新材、安泰科技、時(shí)代新材、冠昊生物等，部分公司的智能材料產(chǎn)品已進(jìn)入實(shí)質(zhì)性產(chǎn)業(yè)化階段，并已盈利。

從不同類型的智能材料的應(yīng)用前景來看，壓電材料幾乎占總市場(chǎng)的50%，涉及壓電材料的企業(yè)眾多，現(xiàn)已形成市場(chǎng)規(guī)模為每年近百億美元的巨大產(chǎn)業(yè)；磁致伸縮材料主要應(yīng)用于電子行業(yè)；鉻電鍍材料主要用于汽車和建筑行業(yè)；而形狀記憶合金主要應(yīng)用在醫(yī)療市場(chǎng)；電致伸縮材料目前還處于成本較高、應(yīng)用前景不明的階段，市場(chǎng)前景不容樂觀。

2、全球智能材料市場(chǎng)情況

從智能材料的市場(chǎng)規(guī)模來看，有資料顯示，2010年全球智能材料市場(chǎng)規(guī)模在196億美元，2011年近220億美元，2016年將超過400億美元，2011～2016年智能材料市場(chǎng)規(guī)模年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到12.8%。（如圖3所示）根據(jù)地域來看，美國(guó)處于領(lǐng)導(dǎo)地位，并且這種優(yōu)勢(shì)還可以保持相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。亞太地區(qū)在智能材料的生產(chǎn)方面保持穩(wěn)定增長(zhǎng)，特別是在生產(chǎn)壓電/電致伸縮材料上居于統(tǒng)治地位。

從不同類型的智能材料的應(yīng)用來看，智能材料的應(yīng)用范圍較為廣泛，在醫(yī)療、建筑、儀表儀器、自動(dòng)化、機(jī)器人、航空航天、電磁電子設(shè)備、各類傳感器、驅(qū)動(dòng)器和顯示器等領(lǐng)域都有應(yīng)用。智能材料應(yīng)用領(lǐng)域占比最大的部分為制動(dòng)器和發(fā)動(dòng)機(jī)，2010年的銷售收入接近108億美元，占比55%，到2016年將增至254億美元，占比接近64%，2011～2016年的年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到15.4%。傳感器是智能材料的第二大應(yīng)用領(lǐng)域，2011年的銷售收入接近70億美元，然而智能材料在傳感器中應(yīng)用的增長(zhǎng)率較低，2016年起銷售收入在94億美元，傳感器銷售收入占全部銷售收入的比例將降至23.4%，年復(fù)合增長(zhǎng)率僅為6%（如圖4所示）。