材料科学第六章-智能材料

第四章智能材料及其应用智能材料(IntelligentMaterials,IM)作为一个重要的材料技术引起了国际材料科学界的广泛重视,被视为下世纪工程技术发展的先导。它是继石器材料、钢铁材料、合成高分子材料、人工设计材料而形成的一门新的分支学科,从此材料的发展进入第五代材料时期。这类新材料的特点是它的特性可随环境和空间而变化。目前国际上一大批专家学者,包括化学家、物理学家、材料学家、生物学家、计算机学家、海洋工程、航空以及其它领域的专家对智能材料这一学科的潜力充满了信心,正致力于发展这一学科。在美国、日本、英国、意大利等国家都已成立了智能材料研究机构,世界范围的智能材料研讨会也逐渐增多,第一份专门介绍这一学科的刊物《智能材料系统和结构杂志》已经出版。我国对智能材料的研究也十分重视,1991年国家自然科学基金会将智能/机敏材料列入国家高技术发展计划纲要的新概念新构思探索课题,智能/机敏材料及其应用直接作为国家高技术研究发展计划(863计划)项目课题。为推进我国智能材料的研究,国家自然科学基金委员会材料与工程科学部于1992年成立了“智能材料”集团。目前从事智能材料研究的单位和科研人员已逐渐增多。智能材料的概念在过去的几年里,功能“智能”、机敏”材料的概念在材料界受到了高度重视。所谓智能材料,是一种能通过系统协调材料内部各种功能并对时间、地点和环境作出反应而发挥功能作用的材料。换言之,智能材料系指对环境可感知且可响应并具有自诊断、自修复功能的新材料。智能材料是将信息科学融合于材料物性和功能的一种材料新构思,它由三个要素组成:从人类观点出发的智能;材料中固有的智能;材料的原始功能。它是受集成电路技术启发而构思的三维组件模式的融合型材料。它是在原子、分子水平上进行材料控制,于不同的层次上赋予自检测、自判断、自结论和自指令、自执行所设计出的新材料。这类材料的共同特征是:响应性。智能材料的种类智能材料的分类方法很多。根据材料的来源,智能材料包括金属智能材料无机非金属系智能材料高分子系智能材料金属系智能材料由于其强度比较大、耐热性好且耐腐蚀性能好,常用在航空、航天和原子能工业中作为结构材料。金属材料在使用过程中会产生疲劳龟裂及蠕变变形而损伤,所以期望金属系智能材料不但可以检测自身的损伤,而且可将其抑制,具有自修复功能,从而确保使用过程中的稳定性。目前研究开发的金属系智能材料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的初步智能性是考虑局部可吸收外力以防止材料整体变坏。目前此类智能材料在电流变流体、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。作为智能材料的刺激响应性高分子凝胶的研究和开发非常活跃,其次还有智能高分子膜材、智能高分子粘合剂、智能型药物释放体系和智能高分子基复合材料等。智能材料的应用形状记忆材料

直升飞机旋翼轮叶:最早引起社会兴趣和工业界重视的智能材料结构是美国人研制的具有减振效果和诊断功能的“智能材料机翼”,在飞机的机翼部件中,埋入光导纤维等内应力传感器,这些传感器系统能将飞机机翼各个部分的重力情况及时告知信息处理中心,进而反馈信号,使机翼及时平衡和抵消多余的振动.而执行减振驱动指令的则是形状记忆合金及其网络.

智能蒙皮不仅是飞机,其它飞行器如火箭、卫星,还有潜水艇等的表皮都应有随外界条件变化而变化以及探测周围环境的能力,具有这样功能的表皮(蒙皮)称为智能(或机敏)表皮(蒙皮).未来飞机蒙皮不仅起机翼作用,由于采用智能材料系统,它可以检测飞行速度、温度、湿度等各种气象条件,并能对变化的环境做出反应,如改变机翼形状等.另一功能是适合于当前的电子战,即具有识别、人为干扰、隐蔽通讯、威胁警告和电子保障系统.对于材料内部的缺陷和损伤,智能表层能进行自诊断、自修复、自适应,还能抑制噪声和振动;对于航空航天飞行器座舱能够自动通风、保暖和冷却.智能材料在现代药剂学中的应用智能材料已成为新的学科分支,其在医药学、生物技术工业及环境问题上有许多潜在的应用,而近几年在药剂学上对智能聚合物的研究和开发也十分活跃,主要出现了PH敏感型、温度敏感型(热敏感型)、葡萄糖敏感型、核糖体酶型智能聚合物。

PH敏感型智能材料PH敏感型智能材料随着周围环境PH改变而改变其性质,从而可以控制药物在一定部位释放,从而提高药效。PH敏感脂质体膜材使用含有PH敏感基团的脂质制备的。用于制备PH敏感脂质体的典型磷脂是二油酰磷脂酰乙醇胺(DOPE)。纯化PE与其它脂质和蛋白混合时、可形成稳定的脂质体,当PH改变时,双层脂质体可转变成六角相,引发脂质体膜不稳定、聚集、溶合、释放内容物。应用不同的膜材或通过调节脂质组成比例,可获得不同PH敏感型的脂质体。但目前由于脂质体的稳定性、包封率和靶向性等,尚未开发出应用于临床的PH敏感型脂质体。包衣材料对于口服制剂,基于药物性质和治疗的需要,需要在人体消化道不同部位如胃、小肠、大肠和结肠处定位给药。鉴于人体胃肠道PH不同的生理特点,可用PH敏感性高分子薄膜包衣来达到定位给药的目的。据报道,智能材料如聚甲基丙烯酸甲酯-co-甲基丙烯酸共聚物(PMMA-co-MAA),通过改变MMA/MAA的投料比,可以制备具有不同酸值的PMMA-co-MAA丙烯酸树脂。酸值不同的丙烯酸树脂PH敏感值也不同,因而可以设计制备口服制剂的不同部位定向靶向给药系统的包衣材料,酸值较小的树脂可作为结肠定位给药的包衣材料,而酸值较大的树脂可作为小肠给药的包衣材料。

温度敏感水凝胶温度敏感水凝胶随着温度的微小变化其体积变化可达数倍甚至几十倍,这一现象称为凝胶的相转变,发生这种相转变的温度称为水凝胶的相转变温度。目前已报道的温度敏感水凝胶有离子化的丙烯酸衍生物的共聚物,聚(N,N-二乙基丙烯酰胺)和聚(N-异丙基丙烯酰胺)等非离子型水凝胶。以N-异丙基丙烯酰胺(NIPPAm)类均聚物和共聚物为例,这种智能材料有较低的临界溶解温度,当温度升高到其最低临界温度(LCST)以上会发生从溶胀的软透明状态到消胀的硬不透明状态的变化,其体积变化在范围内可达几十倍,并能快速吸收和释放水而体现出开关性能。对PIPAAm

进行改造如末端修饰,可赋予该材料不同的智能特性。一般说来,加入亲水末端可升高相转变温度,其原因为聚合链同水作用增强而延缓了相转变现象。利用这些材料制成的释药系统其释药只与外界温度有关,而同材料本身结构无关,可用于被动、主动靶向系统,增加由局部温度变化引起的定位释放。温度敏感型脂质体膜材目前用于制备该类脂质体的膜材主要是二棕榈酸磷脂(DPPC)二硬脂酸磷脂(DSPC)。Yatvin将两者以不同比例混合创制了温度敏感性脂质体,使其由凝胶向液晶转变具有不同的相转变温度(41～54℃),当脂质体达到液晶态相变温度时其磷脂的酰基链紊乱度及活动度增加,膜的流动性增加,此时包封的药物释放速度增加,而相变温度时则释放减慢,因此使肿瘤或局部感染病灶升温到41～42℃,就引起脂质体内容物渗漏,导致脂质体迅速释放内容物。甲氨蝶呤温度敏感脂质体注入荷Lewis肺癌小鼠的尾静脉后用微波发生器加热肿瘤部位至42,4h后在循环系统中的放射活性为对照组平均值的4倍。日本有人利用局部升温技术和包封博莱霉素的温度敏感脂质体治疗小鼠AH-66腹水癌的淋巴结转移,取得了明显的抑制肿瘤生长和扩散及延长小鼠存活时间的效果。

葡萄糖敏感水凝胶用于胰岛素释放系统的葡萄敏感水凝胶,是利用这种水凝胶对葡萄糖溶液浓度变化具有收缩功能的特性来模拟健康胰岛细胞的功能,即当血中的葡萄糖浓度升高时,葡萄糖敏感水凝胶可以吸收血中的葡萄糖分子,从而使糖尿病患者能够自动地维持正常的血糖浓度。

智能纺织品智能纺织品就是较之普通的纺织品具有更多功能的纺织品。其智能化来自于织物纤维的智能化或织物中加入的特殊成分,这些特殊成分可以是电子装置、特殊构造的聚合物甚至可以是着色剂。特殊成分的加入虽然使产品成本有所增加,但附加值增加得更大,因此针对不同要求研究开发适合不同环境条件下的智能纺织品是十分必要的。智能纤维美国佐治亚州理工学院将塑料光纤传感器植入衬衣,利用fabryOperot型传感器可以探测某个部位信号,研制成了具有“知觉”的“聪明的T恤”,它可以协助医务人员探测病人心跳、体温、血压、呼吸等生理指标,也可由监测人员了解和掌握运动员、宇航员、飞行员的身体情况,防止婴儿在睡眠时因窒息而死亡。如士兵穿上这种T恤,一旦中弹受伤,T恤被击穿,T恤中的光信号便不能传至另一端,而会传回后方的“个人状态监测器”,医务人员便会据此知道伤员情况,按情况派人前往救援。

变色纤维变色纤维是一种具有特殊组成或结构的,在受到光、热、水分或辐射等外界刺激后可逆、自动改变颜色的纤维。主要有光敏变色纤维和热敏变色纤维两种。用变色纤维做成的服装在不同温度、光线下呈现出色彩的变化。士兵穿上它在不同的地方会变成环境的颜色,不易被敌方发现,达到隐蔽自己的目的。变色纤维还适合于制作舞台服装、童装等。调温纤维调温纤维能根据外界环境温度变化,伴随纤维中所包含的室温相变物质发生液—固可逆相变,或从环境中吸收热量存储于纤维内部,或放出纤维中存储热量,在纤维周围形成温度相对恒定的微气候,从而在一定时间内实现温度调节。由蓄热调温纤维加工成的纺织品除具有常规纺织品的静态保温作用外,还具有由于相变物质的吸放热引起的动态保温作用。目前,该纤维主要用在滑雪衫、靴、套、袜、帽、体育运动服装等各个方面。

智能抗菌纤维人体皮肤表面生长有各种各样的细菌,皮肤表面细菌过多或完全没有细菌,都会引起各种各样的问题,如过敏、产生臭味或生病等。美国Nylstar公司制造出一种“智能聚酰胺纤维”,抗菌剂包藏于纤维内部,而不是粘附于纤维表面,所以不必担心其中的成分会引起皮肤的过敏,而且可以耐30次的洗涤,这种纤维区别于一般抗菌纤维之处在于,无论是轻微活动还是剧烈运动都可以控制皮肤表面细菌的数量维持在正常水平。

用于军事方面的智能纺织品美国马萨诸塞州内蒂克的美军士兵系统中的研究人员正在研制一种专供士兵穿着的具有变色、接受电子邮件等功能的新式服装。这种名为“天蝎高速战斗服”的服装将使用植入服装纤维内的微型装置,包括可使士兵能够接收电子邮件以及自己、敌人所在准确位置等信息的一体化天线。此外,植入服装内的微小发光粒子能分辨现场环境的颜色和特征,改变自身颜色并与之混合。据称,这种服装将于2010年装备部队

有毒物质探测织物有毒物质探测织物是在织物中织入一些光导纤维传感器,当光学微传感器接触到某种气体、电磁能、生物化学或其他有毒的介质时,被激发产生一种报警信号,提醒暴露在有毒气体中的穿着者,以及提高士兵在战场上的生存能力。这些精明的服装作为消防人员、有毒物质工作者或其他暴露在有毒气体场所中工作的工人的保护性服装有更大的意义。智能材料在建筑中的应用美国伊利诺伊大学的一位建筑学副教授卡罗琳·德赖，目前正在研制一种自行愈合的混凝土。他设想把大量的空心纤维放入混凝土中，当混凝土开裂时，事先装有“裂纹修补剂”物质的空心纤维也会裂开，并释放出粘结修补剂把裂纹牢牢地“焊”在一起，防止混凝土断裂。这种智能材料称为“被动式”智能材料。美国的另一些桥梁专家则在研究一种主动式智能材料。他们设计出一个方案，即如果桥梁的某些部分出现问题时，桥梁的另一部分就自行加固以求弥补。这一设想在技术上已没有什么困难。随着电脑技术的发展，现在完