智能材料概述

1智能材料概述

21.1引言材料是人类进步的里程碑，是各个历史时期技术革命的重要支柱。一种新材料的诞生往往会作为先行使产业和社会发生巨大变革。学科的交叉、融合对构材料科学与工程的发展提供了新的机遇。计算机技术用于材料设计，同步辐射、白由电子激光和扫描隧道显微镜以及原子力显微镜等先进技术。使材料科学研究进入介观体系和纳米尺度。科学技术的发展，需要材料能适应愈益复杂的环境．如飞机的失事和重要结构的损毁，促使科学家构思具有自预警和自修复功能的新型材料、系统和结构，期望材料本身变得很聪明，其性能可以适应环境而变化。3材料发展的总趋势：高性能化、多功能化、复合化、精细化、智能化性能—材料对外部作用的抵抗特性功能—从外部向材料输入一种信号时，材料内部发生质和量的变化而产生输出另一种信号的特性智能—一切生命体皆具备的对外界刺激的反应能力。

动物：变色龙皮肤、乌贼、贝壳、海参、猫眼的瞳孔；

植物：含羞草、向日葵；

能接受、感知信号，且能处理，进而做出适时的响应，即执行。4一般认为，智能是相对人和动物而言的，是一种能获取、存贮知识并运用知识解决问题的能力。顾名思义，所谓智能材料与结构即一种对所给的特别的激励能进行判别并按预定方式做出反应的材料。这样的材料可以是自然产生的或由人工引入多种性能产生的智能系统，智能材料在一定意义上具有感知功能、信息处理功能和执行功能，即具有获取、识别、处理和执行信息之能力，并且可以自动调解并具有自诊断、自适应、自修复、损伤抑制、寿命预报等能力，表现出动态的自适应性。5l989年日本高木俊宜智能材料(intelligentmaterials)其它提法：smartmaterials;intelligentmaterials;smartstructures;intelligentstructures，adaptivestructures；智能材料、机敏材料、聪敏材料、智能结构、灵巧结构、自适应结构“smart”：灵活、机敏、迅速感觉、机智、聪敏等；“intelligent”：学习、预测、建立关系、推理、决策等。“intelligentmaterials”更复杂和高级，是仿生命功能的材料和结构。1992年日本第一届国际智能材料会议。6智能材料来源于功能材料功能材料是智能材料的基础材料的聪明程度:智能材料功能材料普通材料功能材料是指那些具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学、生物医学功能，特殊的物理、化学、生物学效应，能完成功能相互转化，主要用来制造各种功能元器件而被广泛应用于各类高科技领域的高新技术材料。

7功能材料驱动材料：可根据温度、电场或磁场的变化改变自身的形状、尺寸、位置、刚性、阻尼、内耗或结构等，对环境具有自适应功能，——制成各种执行器；感知材料：能够感知来自外界或内部的刺激强度及变化(如应力、应变、热、光、电、磁、化学和辐射等)，——制成各种传感器。8机敏材料兼具敏感（传感）材料与驱动材料之特征，即同时具有感知与驱动功能的材料。智能材料机敏材料和控制系统相结合的产物，集传感、控制和驱动三种职能于一身，是传感材料、驱动材料和控制材料（系统）的有机合成。自身不具备信息处理和反馈机制，不具备顺应环境的自适应性。可通过自身对信息进行感知、处理并将指令反馈给驱动器执行和完成相应的动作，对环境作出灵敏、恰当的反应。9目前所讲的智能材料，通常是宏观意义上的智能材料，即所谓智能材料系统与结构，它包括以下五部分：母体材料、传感器、作动器、通信网络、中央处理器等，如图所示。10工作原理外界环境发生变化

传感器收集变化信息

通信网络

中央处理器分析处理发出指令

作动器执行指令

结构状态发生变化适应环境11智能材料系统和结构●一个由多种材料组元通过有机的紧密复合或严格的科学组装而构成的材料系统，与结构密切相关，互为一体。●多学科高度发展和相互交叉的产物：材料科学、人工智能、信息科学、机械科学、生物科学、化学和物理。——智能材料12智能材料和结构的研究目前主要有两条技术路线。一条是美国提出的将传感器、处理器和致动器埋入结构中，通过高度集成制造智能结构，即所谓智能结构。另一条是日本提出的将上述智能结构中的传感器、致动器、处理器与结构的宏观结合变为在原子、分子层次上的微观“组装”，从而得到更为均匀的物质材料。如图所示，即所谓智能材料。13创造人工原子并实现其三维任意排列，是人工材料的极限，也是智能材料的最终目标。14国外在微观水平智能材料的制备方面至少采用丁两种不同的思路。其一是以生物材料为蓝本，力图将传感、处理和致动功能结合在一个集团中形成一种均匀的材料，其类似一个神经元(见图1.5(a))制备智能材料的另一思路是采用集成电路的制备思想通过在原子或分子水平上实现材料的设计和结构控制，来达到传感、处理和致动功能的系统化并制备出具有信息和软件内涵的材料按照这种思路可制备复杂、多层、高度有秩的智能材料(见图1.5(b))。1516智能材料与结构的研究内容(1)传感器和作动器材料的研究新型传感器和作动器材料的研究，是智能材料系统和结构研究的基础，它的研究进展很人程度上决定了智能材料系统和和结构的实用化进程17（2）智能材料系统和结构的设计和模拟包括智能材料与结构的优化设计、分析和性能模拟技术、传感器和作动器的优化铺放等（3）信号处理方法及高速中央处理器的研究包括神经网络、模糊控制、小波分析等人工智能信号处理技术以及高速并行处理芯片的研究。（4）智能材料的集成制造技术研究包括智能材料的传感器和作动器的置入技术、组装及自动化生产技术。18（5）智能结构系统的应用研究智能复合材料成型工艺的在线监控技术智能结构健康监控系统的研究智能结构振动主动控制系统的研究形状自适应改变智能结构的研究智能蒙皮的研究191.2智能材料的内涵、定义和特征1.2.1智能材料的定义高木俊宜:

能够感知环境变化，并通过自我判断和结论而实现指令和执行的新材料。杨大智：

模仿生命系统，能感知环境变化，并能实时的改变自身的一种或多种性能参数，作出所期望的、能与变化后的环境相适应的复合材料或材料的复合。20师昌绪院士：

模仿生命系统，能感知外界环境或内部状态所发生的变化，而且通过材料自身的或外界的某种反馈机制，能够适时地将材料的一种或多种性质改变，作出所期望的某种响应的材料。三要素：感知、反馈和响应。21863新材料领域专家委员会：对使用环境敏感而且能对环境变化作出灵活反应的材料。更确切地说，智能材料是一类集传感、控制、驱动(执行)等功能于一体的机敏或智能材料—结构系统，它能适时地感知与响应外界环境的变化，实现自检测、自诊断、自修复、自适应等多种功能。共同点：智能材料应当具有感知、判断和响应的功能。221.2.2智能材料的内涵具有感知功能，能够检测并且可以识别外界（或者内部）的刺激强度，如电、光、热、应力、应变、化学、核辐射等；具有驱动功能，能够响应外界变化；能够按照设定的方式选择和控制响应；反应比较灵敏、及时和恰当；当外部刺激消除后，能够迅速恢复到原始状态。231.2.3智能材料的特征

(1)传感功能：能感知自身所处的环境与条件，如负载、应力、应变、振动、热、光、电、磁、化学、核辐射等的强度及其变化。

(2)反馈功能：能通过传感神经网络，对系统的输入和输出信息进行比较，并将结果提供给控制系统，从而获得理想的功能。

(3)信息积累和识别功能：能积累信息，能识别和区分传感网络得到的各种信息，并进行分析和解释。从仿生学的观点出发，智能材料内部应

具有或部分具有以下生物功能：24(4)学习能力和预见性功能：能通过对过去经验的收集，对外部刺激作出适当反应，并可预见未来并采取适当的行动。(5)响应性功能：能根据环境变化适时地动态调节自身并作出反应。(6)自修复功能：能通过自生长或原位复合等再生机制来修补某些局部破损。(7)自诊断功能：能对现在情况和过去情况作比较，从而能对诸如故障及判断失误等问题进行自诊断和校正。(8)自动动态平衡及自适应功能：能根据动态的外部环境条件不断自动调整自身的内部结构，从而改变自已的行为．以一种优化的方式对环境变化作出响应。251.4智能材料的设计1.4.1智能材料的设计思路

以功能材料为基础，以仿生学、人工智能及系统控制为指导，依据材料复合的非线性效应，用先进的材料复合技术，将感知材料、驱动材料和基体材料进行复合。26智能效应的基本原理：——物质和场之间的交互作用过程27智能材料设计的具体过程：明确材料的应用目标和实现思路确定智能材料的输入场和输出场选择感知组元、驱动组元和中间场借助于中间场,通过几个物理或化学效应的耦合来实现所需的智能化效应28选择传感器和驱动器时需把握的原则（1）兼容性要求主要指传感器、作动器与材料结构的兼容性。目的是在材料中埋入或在表面粘贴传感器和作动器不会损害结构的完整性。同时，还要能够与智能结构系统的其他电气设备兼容。（2）稳定性要求主要是指传感器和作动器自身工作性能的稳定可靠及抗干扰能力。29（3）响应带宽要求传感器和作动器应该具有较高的响应速度和较宽的频率响应频带（4）传感器精度的要求传感器要具有较高的灵敏度和测量精度（5）驱动器驱动力的要求作动器应该产生足够大的变形和较大的驱动力，同时要具有较小的能耗。301.4.2智能材料的构成（1）基体材料

作用和任务：承载材料其它三部分种类：轻质材料（高分子材料、轻质有色合金）（2）敏感材料

作用和任务：感知环境变化种类：光纤材料、压电材料、形状记忆材料、磁致伸缩材料等。311.4.2智能材料的构成（3）驱动材料

作用和任务：产生应变和应力→→响应和控制。种类：压电材料、形状记忆材料、电(磁)流变体、磁致伸缩材料、刺激响应性高分子凝胶等。

（4）信息处理器321.4.3智能材料的合成方法（1）纤维及颗粒形式的复合

将一种机敏材料颗粒(或纤维)复合在异质基体中可实现各组元性能的优势互补，获得优化的智能特性。

压电陶瓷和压电高分子以不同连接度复合

——性能优异的压电智能材料；

TiNi形状记忆合金粒子或纤维复合在金属或高分子中

——改善机械性能及阻尼能力.33

将两种或多种机敏材料以多层μm级的薄膜复合，获得优化的综合性能或多功能特性.

PZT(锆钛酸铅,Pb[ZrxTi1-x]O3,0<x<1)和BaTiO3薄膜沉积在TiNi记忆合金衬底上——良好的压电和形状记忆特性、传感和驱动功能、阻尼性能，可用于主动控振。34

将具有光敏、压敏和热敏等不同功能特性的纳米粒子原位复合在多孔道骨架内，通过调控纳米粒子的尺寸、间距及纳米粒子与骨架之间的相互作用，有可能得到兼具光控、压控、热控及其他响应性质的智能材料。纳米多孔架材料：富勒烯(Ｃ60)(碳纳米管)、沸石分子筛人工合成材料：多孔形状记忆合金35

将具有不同功能的材料粒子按特定的方式进行操作组装，可创造出新的具有多功能特性的材料。（5）粒子复合组装纳米材料和纳米复合材料将是智能材料设计的有效途径之一。361.5智能材料的类型

(1)金属系智能材料按材料基质的不同分类：强度比较大、耐热性好、耐腐蚀性能好航空、航天、原子能工业——结构材料。检测自身的损伤，且可将其抑制，具有自修复功能，从而确保使用过程中的稳定性。形状记忆合金、磁致伸缩材料等。特点：应用领域：智能效应：主要种类：37(2)无机非金属系智能材料最初的考虑：局部吸收外力以防止材料整体破坏。电(磁)流变流体、压电陶瓷、光致变色和电致变色材料等。主要种类：38多重亚稳态、多水平结构层次、较弱的分子间作用力，侧链易引入各种官能团——利于感知和判断环境，实现环境响应。(4)复合(composite)和杂化(hybrid)型智能材料特点：主要种类：(3)高分子系智能材料刺激响应性高分子凝胶智能高分子膜材智能药物释放体系智能纤维与织物等391.6智能材料的应用

将微型传感元件、微型计算机芯片、形状记忆合金、电流变体及压电材料等经设计后复合在结构体中，可研制出带有感知及判断能力，可自动加固及防护的自适应性智能结构，实现在线监测、自诊断、自预警、自修复，防止灾难性事故的发生。(1)建筑和结构工程领域

自诊断混凝土

自愈合混凝土40（2）航空航天领域能经受恶劣环境，同时能对自己的状况进行自我诊断，并能阻止损坏和退化，能自动加固或自动修补裂纹，从而防止灾难性事故的发生。★机翼用智能材料：在高性能复合材料中嵌入细小的光纤,光纤象神经那样感受机翼上承受的不同压力,光纤断裂时，光传输中断，发出事故警告。

自动加固的直升飞机水平旋转叶片：当叶片在飞行中遇到疾风作用而猛烈振动时,分布在叶片中微小液滴会变成固体自动加固叶片。★41智能蒙皮:对于飞行器如飞机、火箭、卫星及潜水艇等，具有随外界条件变化而变化以及探测周围环境的能力的表皮(蒙皮)。★检测飞行速度、温度、湿度等各种条件,并能对变化的环境做出反应，如抑制噪声和振动、维持飞行器座舱的通风、温度恒定、改变机翼形状等。对于材料内部的缺陷和损伤,能进行自诊断，确定缺陷和损伤的部位并进行自修复、自适应。42（3）抑制振动和噪声

传感元件对结构的振动进行监测，驱动元件在微电子系统的控制下准确地动作以改变结构的振动状态——具有振动和噪声主动控制功能的智能结构。成功应用：减轻交通工具如汽车、飞机振动和噪声。43压电材料