智能材料概述

智能材料概述材料的智能化代表了材料科学发展的最新方向，智能材料的研究主要是依照仿生学方法，采用各种先进复合技术，实现复杂材料体系的多功能复合，并最终实现材料智能能化和器件集成化，文章在简要介绍有关材料概念的基础上，又重点介绍了记忆合金的特征、功能和应用及其现有的不足。智能材料概述所谓智能材料，是指能感知外部刺激、能判断并恰当处理、且本身可执行的材料。智能材料的构想来源于仿生，其最初目标就是研制出一种具有类似于生物功能的“活”的材料。因此智能材料必须具备感知、驱动和控制这3个基本要素。1．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)传感功能—能够感知外界或自身所处的环境条件，如负载、应力、应变、振动、热、光、电、磁、化学和核辐射等的强度及其变化。(2)反馈功能—可通过传感网络对系统输入与输出信息进行对比，并将其结果提供给控制系统。(3)信息识别与积累功能—能够识别传感网络得到的各类信息并将其积累起来。(4)响应功能—能够根据外界环境和内部条件变化，适时动态地做出相应的反应，并采取必要行动。(5)自诊断能力—能通过分析比较系统目前的状况与过去的情况，对诸如系统故障与判断失误等问题进行自诊断并予以校正。(6)自修复能力—能通过自繁殖、自生长、原位复合等再生机制，来修补某些局部损伤或破坏。(7)自调节能力—对不断变化的外部环境和条件，能及时地自动调整自身结构和功能，并相应地改变自己的状态和行为，始终以一种优化方式对外界变化做出恰如其分的响应。2．智能材料的基本构成和工作原理智能材料一般由基体材料、敏感材料、驱动材料和信息处理器4部分组成。基体材料：基体材料担负着承载的作用,一般宜选用轻质材料。高分子材料重量轻、耐腐蚀,具有粘弹性的非线性特征而成为首选,其次也可选用金属材料,以轻质有色合金为主敏感材料敏感材料担负着传感的任务,其主要作用是感知环境变化(包括压力、应力、温度、电磁场、pH值等)。常用敏感材料如形状记忆材料、压电材料、光纤材料、磁致伸缩材料、电致变色材料、电流变体、磁流变体和液晶材料等。驱动材料因为在一定条件下驱动材料可产生较大的应变和应力,所以它担负着响应和控制的任务。常用驱动材料有形状记忆材料、压电材料、电流变体和磁致伸缩材料等其它功能材料包括导电材料、磁性材料、光纤和半导体材料等。工作原理—信息处理器信息处理器是核心部分,它对传感器输出信号进行判断处理。图为智能材料的基本构成和工作原理。3．智能材料的分类若按功能来分可以分为光导纤维、形状记忆合金、压电、电流变体和电（磁）致伸缩材料等。若按来源来分,可以分为金属系智能材料、无机非金属系智能材料和高分子能材料的应用系智能材料。金属系智能材料目前所研究开发的主要有形状记忆合金和形状记忆复合材料两大类;无机非金属系智能材料在电流变体、压电陶瓷、光致变色和电致变色材料等方面发展较快;高分子系智能材料的范围很广泛,有高分子凝胶、智能高分子膜材、智能型药物释放体系和智能高分子基复合材料等。4．形状记忆智能材料目前应用最广的智能材料莫过于形状记忆合金，形状记忆合金（ShapeMemoryAlloy,SMA）是指具有一定初始形状的合金在低温下经塑性形变并固定成另一种形状后,通过加热到某一临界温度以上又可恢复成初始形状的一类合金。到目前为止,应用得最多的是Ni2Ti合金和铜基合金（CuZnAl和CuAlNi）。4.1记忆合金的分类（1）单程记忆效应：形状记忆合金在较低的温度下变形，加热后可恢复变形前的形状，这种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。（2）双程记忆效应：某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状，称为双程记忆效应。（3）全程记忆效应：加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状，称为全程记忆效应。4.2记忆合金的效应原理SMA的形状记忆效应源于热弹性马氏体相变，这种马氏体一旦形成，就会随着温度下降而继续生长，如果温度上升它又会减少，以完全相反的过程消失。两项自由能之差作为相变驱动力。两项自由能相等的温度T0称为平衡温度。只有当温度低于平衡温度T0时才会产生马氏体相变，反之，只有当温度高于平衡温度TO时才会发生逆相变。在SMA中，马氏体相变不仅由温度引起，也可以由应力引起，这种由应力引起的马氏体相变叫做应力诱发马氏体相变，且相变温度同应力呈线性关系。至今为止发现的记忆合金体系Au-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记忆合金的应用

1969年,镍-钛合金的形状记忆效应第一次在工业上应用。人们采用了一种与众不同的管道接头装置。为了将两根需要对接的金属管连接,选用转变温度低于使用温度的条件下做成内径比待对接管子外径略微小一点的短管,然后在低于其转变温度下将其内径稍加扩到该接头的转变温度时,接头就自动收缩而扣紧被接管道,形成牢固紧密的连接。美国在某种喷气式战斗机的油压系统中便使用了这种镍-钛合金接头,从未发生过漏油,脱落或破损事故。由于记忆合金的特殊的记忆功能，现已广泛应用于航空、卫星、医疗、生物工程、能源和自动化等方面。4.3.1.航空航天工业在航天方面，常用Ni-Ti合金制成天线。用在宇宙飞船上的天线是非常庞大的，呈半球月面状。若用普通金属制成这样的天线，由于宇宙飞船的体积是有限的，无法把它带上去，但采用记忆温度为40摄氏度的Ni-Ti合金在40摄氏度以上做成月面天线，然后再冷却到40摄氏度以下，这时天线就可以折叠成一个小球团，从而达到方便的装进宇宙飞船的目的。当宇宙飞船到达月球后，受到太阳光的强烈照射，小球团的温度很容易达到40摄氏度以上，此时它就恢复原来的形状，张开呈伞面开始工作。胡成的g庄炕轉昵闿秋比狀胡成的g庄炕轉昵闿秋比狀死金愧寂4.3.2.生物医疗临床上用的最普遍的是镍钛（Ni-Ti）形状记忆合金（SMA）,简称NT—SMA。NT—SMA是集耐磨、耐腐蚀、形状记忆效应伪弱性和声阻尼等性能于一体的新材料，有热弹力型的马氏体变态，有种种难以想象的性质。采用Ni-Ti合金做成人体用的生物植入件，如牙齿矫正丝。用超弹性Ti-Ni合金丝和不锈钢丝做的牙齿矫正丝，其中用超弹性Ti-Ni合金丝是最适宜的。通常牙齿矫形用不锈钢丝Co-Cr合金丝，但这些材料有弹性模量高，弹性应变小的缺点。为了给出适宜的矫正力，在矫正前就要加工成弓形，而且结扎固定要求熟练。如果用Ti-Ni合金作牙齿矫形丝，即使应变高达10%也不会产生塑性变形。这种材料不仅操作简单，疗效好，也可减轻患者不适感。4.3.3.日常生活火灾检查阀门。火灾中，当局部地方升温时阀门会自动关闭，防止了危险气体进入。这种特殊结构设计的优点是，它具有检查阀门的操作，然后又能复位到安全状态；这种火灾检查阀门在半导体制造业中得到使用，在半导体制造的扩散过程中使用了有毒的气体；这种火灾检查阀也可在化学和石油工厂应用。4.4存在的问题在SMA的研究和应用中，目前尚存在许多有待解决的问题,例如:（1）由于SMA的各种功能均依赖于马氏体相变，需要不断对其加热、冷却及加载、卸载且材料变化具有迟滞性，因此SMA只适用于低频（10Hz以下）窄带振动中,这就大大限制了材料的应用。SMA自身存在损伤和裂纹等缺陷,如何克服这些缺陷,改善材料性能是当前迫切需要解决的问题。在医学应用方面,还需继续研究SMA的生物相容性和细胞毒性。5.发展趋势及展望目前，世界上许多国家都已开展对智能材料的研究，其发展将全面提高材料的设计和应用水平。智能材料涉及的领域非常广泛，它是一种军民两用技术，不但在宇航及国防工业，而且在民用方面，有着极为广泛的应用前景。智能材料的应用还能节省资源、减少污染等，其经济效益和社会效益是巨大的。作为方兴未艾的高新技术，智能结构的潜在发展有着广阔的天地。我相信在中国新一代的化学人手中，智能材料会大放异彩。6.感想虽然新能源材料这节课是限选课，但我觉得对材化的学生来说很有必要，课上老师会给我们介绍一些前沿的科研成果以及专业高效的研究方法，对我们的专业学习很有帮助，而且老师在布置作业的时候也要求了大家写近三年的研究内容，虽然在找资料的时候有些困难，很多内容也是似懂非懂