淺析智能材料的研究進(jìn)展

李璇

（湖南省長(zhǎng)沙市雅禮中學(xué)，長(zhǎng)沙 410007）

淺析智能材料的研究進(jìn)展

李璇

（湖南省長(zhǎng)沙市雅禮中學(xué)，長(zhǎng)沙 410007）

智能材料的概念是在20世紀(jì)80年代提出來的，它是一種集感知、驅(qū)動(dòng)和信息處理于一體的新型多功能材料，通過識(shí)別和處理外界變化進(jìn)行相應(yīng)的改變，以達(dá)到和外界環(huán)境相協(xié)調(diào)的目的。智能材料主要包括智能傳感、智能驅(qū)動(dòng)和智能控制技術(shù)等。

智能材料；研究進(jìn)展；分析

1　智能材料的關(guān)鍵技術(shù)

1.1智能傳感技術(shù)

智能傳感技術(shù)對(duì)于智能材料的研究和發(fā)展至關(guān)重要，它是實(shí)現(xiàn)智能結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)技術(shù)。傳感元件是傳感技術(shù)的一種載體，通常被粘貼或者嵌入到智能材料的表面及內(nèi)部，用于識(shí)別外界環(huán)境的變化。其作用和人的神經(jīng)系統(tǒng)類似，將識(shí)別到的聲、光、電和磁等物理量轉(zhuǎn)化為另一種物理量。它是材料實(shí)現(xiàn)智能化的一種基礎(chǔ)元件，就像一種生物感應(yīng)器，將感知到的外界信息記錄起來，并做出合適的回應(yīng)。傳感元件具有體積小、兼容性好和性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，由于元件較薄，嵌入后對(duì)材料的影響小，因此其抗干擾能力較其他材料強(qiáng)。

1.2智能驅(qū)動(dòng)技術(shù)

驅(qū)動(dòng)技術(shù)是智能材料實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)變化的一個(gè)核心問題，也是一個(gè)至關(guān)重要的瓶頸。它包括驅(qū)動(dòng)元件和控制方式等，是能夠使智能材料結(jié)構(gòu)與環(huán)境相適應(yīng)的功能性原件，其自適應(yīng)結(jié)構(gòu)和普通結(jié)構(gòu)不同，原理和人的肌肉類似，能夠改變結(jié)構(gòu)的位置、摩擦阻力和溫度等特征。驅(qū)動(dòng)元件具有與主體材料兼容性好、機(jī)械靈活性強(qiáng)和頻率響應(yīng)快的特點(diǎn)，它的結(jié)合強(qiáng)度十分高，抗沖擊能力強(qiáng)，變形量和驅(qū)動(dòng)力大，控制性也很強(qiáng)。驅(qū)動(dòng)元件就好像變色龍，能夠根據(jù)外界環(huán)境的變化，做出相應(yīng)的改變。

1.3智能控制技術(shù)

智能控制系統(tǒng)是智能材料結(jié)構(gòu)中的一個(gè)重要組成部分，包括控制性元件、控制性策略和相關(guān)算法等，作用就好比人類的大腦，有著核心中樞的功能。智能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是一種非線性系統(tǒng)，具有不確定性和實(shí)時(shí)變化性，系統(tǒng)能夠形成一種控制自身的規(guī)律，并能夠快速處理相關(guān)的控制優(yōu)化過程，具有很強(qiáng)的在線性。其中控制元件全部集中在結(jié)構(gòu)里，控制對(duì)象是其自身。經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論在面對(duì)智能結(jié)構(gòu)的特征時(shí)，都顯得很無奈。而傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)相關(guān)模式被智能結(jié)構(gòu)的控制所打破，對(duì)控制器自身的研究更加深入，進(jìn)而提高控制器的智能水平，使結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的自適應(yīng)力增強(qiáng)，使控制效果更加明顯。

2　智能控制主要基礎(chǔ)材料的分析

不同的材料在智能系統(tǒng)工作時(shí)發(fā)揮的作用不同。隨著對(duì)智能材料研究的不斷深入，基礎(chǔ)材料的種類也在不斷豐富。根據(jù)智能系統(tǒng)工作的原理，智能材料可以分為兩種，一種是感知材料，例如形狀記憶材料和智能高分子材料等，具有識(shí)別外界環(huán)境刺激的作用，能夠采集并記錄外界環(huán)境的信息，這類材料可以用于制作智能系統(tǒng)中的傳感器。另一種是響應(yīng)材料，例如發(fā)射材料、電感材料、壓電材料等，能夠通過感應(yīng)材料對(duì)外界環(huán)境的識(shí)別和感知做出相應(yīng)處理，這種響應(yīng)包括儲(chǔ)存、改變顏色、改變位置等，這類材料可以用于制作智能系統(tǒng)中的執(zhí)行器。

2.1形狀記憶材料

形狀記憶材料是指材料自身對(duì)初始特性具有記憶功能的一種特殊材料，當(dāng)材料的形變固定后，要經(jīng)過高溫或其他特殊刺激處理才能夠恢復(fù)原來的特性。這種材料包括記憶合金、記憶高分子等。形狀記憶合金的記憶功能是利用應(yīng)力和溫度誘發(fā)記憶，變形溫度是低溫或常溫，材料變形后要經(jīng)過加熱處理才能夠漸漸恢復(fù)原本定型時(shí)的狀態(tài)。通常將這種具有加熱恢復(fù)特性的材料叫作形狀記憶合金，將這種現(xiàn)象叫作形狀記憶效應(yīng)。用形狀記憶合金制作的驅(qū)動(dòng)器具有很多特殊性能，例如類橡皮特性、形狀記憶效應(yīng)等。形狀記憶高分子相對(duì)來說形變量大，在抗腐蝕方面也有較好性質(zhì)。

2.2壓電材料

壓電材料的力學(xué)性能與外加電壓的大小呈線性關(guān)系。壓電材料的響應(yīng)速度快，其輸入輸出都是通過電信號(hào)完成，在控制和測(cè)量方面更加便利，具有正逆壓電效應(yīng)，材料加工起來相對(duì)容易。壓電陶瓷和壓電高分子都是這種材料的載體，在壓電陶瓷中使用最廣泛的是醋欽酸鉛，常用于啟動(dòng)元件和敏感元件。我們所熟知的呼吸機(jī)、定時(shí)器、氣壓計(jì)和擴(kuò)音器都離不開壓電陶瓷。醋欽酸鉛在壓電態(tài)到非壓電態(tài)轉(zhuǎn)變過程中所需的溫度較低，溫度變化范圍較小，科學(xué)家正在研究高溫條件下醋欽酸鉛的材料應(yīng)用。

2.3智能高分子材料

隨著生物研究的不斷深入，人類已經(jīng)認(rèn)識(shí)到生物體內(nèi)的類水凝膠結(jié)構(gòu)。從這種結(jié)構(gòu)出發(fā)，人們開始探索生物智能材料。當(dāng)生物體內(nèi)的組織受到化學(xué)或者溫度因素的影響，其形狀就會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，從而表現(xiàn)出相關(guān)特性。而智能高分子材料是通過一系列化學(xué)方法的合成，使材料具有生物智能材料的特點(diǎn)，例如自我修復(fù)、自動(dòng)識(shí)別外界環(huán)境等特性。利用這種特性我們可以制作人工肌肉、超微纖維光纖傳感器等特殊材料。我們有理由相信，未來智能材料的應(yīng)用和研究一定會(huì)將人類社會(huì)帶入更高階段。

［1］ 郭保全，侯宏花，潘玉田.智能材料和結(jié)構(gòu)的應(yīng)用及展望［J］.科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2005，（06）：45.

［2］ 裘進(jìn)浩，邊義祥，季宏麗，等.智能材料結(jié)構(gòu)在航空領(lǐng)域中的應(yīng)用［J］.航空制造技術(shù)，2009，（03）：32.

［3］ 殷青英，翁光遠(yuǎn).智能材料在結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制中的應(yīng)用研究［J］.科技導(dǎo)報(bào)，2009，（12）：87.

［4］ 陳永光.電流變減震器理論與實(shí)驗(yàn)研究［D］.重慶：重慶大學(xué)，2002.

［5］ 陳兵，姚武，吳科如.機(jī)敏水泥基復(fù)合材料研究進(jìn)展［J］.材料導(dǎo)報(bào)，2003，（01）：59.

Research Progress of Smart Materials

LI Xuan
（Changsha Yali Middle School ofHunan Province,Changsha 410007,China）

The concept of smart materials was put forward in the 1980s；it is a new multi-functional material that integrates perception,drivers and information processing.It can achieve the purpose of outside environmental coordination by identifying and dealing with changes of the outside world.Smart materials mainly include smart sensing，smart drive and intelligent control technology.

Smart materials；Research progress；Analysis

TM27

A

1674-8646（2015）12-0093-02

2015-08-18