智能材料及其發(fā)展

智能材料及其發(fā)展材料的發(fā)展材料是人類用于制造物品、器件、構(gòu)件、機器或者其他產(chǎn)品的物質(zhì)，是人類生活、生產(chǎn)的基礎(chǔ)，是人類認識自然和改造自然的工具，與信息、能源并列為人類賴以生存、現(xiàn)代文明賴以發(fā)展的三大支柱。材料也是人類進化的標志之一，一種新材料的出現(xiàn)必將促進人類文明的發(fā)展和科技的進步，從人類出現(xiàn)，經(jīng)歷舊石器時代、新石器時代、青銅時代……，一直到21世紀，材料及材料科學的發(fā)展一直伴隨著人類的文明的進步。在人類文明的進程中，材料大致經(jīng)歷了一下五個發(fā)展階段。利用純天然材料的初級階段：在遠古時代人類只能利用純天然材料（如石頭、草木、野獸毛皮、甲骨、泥土等），也就是通常所說的舊石器時代。這一階段人類只能對純天然材料進行簡單加工。單純利用火制造材料階段：這一階段跨越了新石器時代、青銅時代和鐵器時代，它們風別已三大人造材料為象征，即陶、銅、鐵。這一時期人類利用火來進行燒結(jié)、冶煉和加工，如利用天然陶土燒制陶、瓷、磚、瓦以及后來的玻璃、水泥等，從天然礦石中提煉銅、鐵等金屬。利用物理和化學原理合成材料階段：20世紀初，隨著科學的發(fā)展和各種檢測手段及儀器的出現(xiàn)，人類開始研究材料的化學組成、化學鍵、結(jié)構(gòu)及合成方法，并以凝聚態(tài)物理、晶體物理、固體物理為基礎(chǔ)研究材料組成、結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系，并出現(xiàn)了材料科學。這一時期，人類利用一系列物理、化學原理、現(xiàn)象來創(chuàng)造新材料，這一時期出現(xiàn)的合成高分子材料與已有的金屬材料、陶瓷材料（無機非金屬材料）構(gòu)成了現(xiàn)代材料的三大支柱。除此之外，人類還合成了一系列的合金材料和無機非金屬材料，如超導材料、光纖材料、半導體材料等。材料的復合化階段：這一階段以20世紀50年代金屬陶瓷的出現(xiàn)為開端，人類開始使用新的物理、化學技術(shù)，根據(jù)需要制備出性能獨特的材料。玻璃鋼、鋁塑薄膜、梯度功能材料以及抗菌材料都是這一階段的杰出代表，它們都是為了適應高科技的發(fā)展和提高人類文明進步而產(chǎn)生的。材料的智能化階段：自然界的材料都具有自適應、自診斷、自修復的功能。如所有的動物和植物都能在沒有受到毀滅性打擊的情況下進行自診斷和修復。受大自然的啟發(fā)，近三四十年的研發(fā)，一些人工材料已經(jīng)具備了其中的部分功能，即我們所說的智能材料，如形狀記憶合金、光致變色玻璃等。但是從嚴格意義上將，目前研制成功的智能材料離理想的智能材料還有一定的距離。材料科學的發(fā)展主要集中在以下幾個方面：超純化（從天然材料到復合材料）、量子化（從宏觀控制到微觀和介觀控制）、復合化（從單一到復合）、智能化（從主動到被動）、可設(shè)計化（從經(jīng)驗到理論）。材料的智能化智能材料智能材料概念是由日本高木俊宜教授1989年11月在日本科學技術(shù)廳航空、電子等技術(shù)評審會上提出的，同期美國在航空、宇宙領(lǐng)域中對傳感功能和執(zhí)行功能的適應性結(jié)構(gòu)物、靈巧結(jié)構(gòu)物的研究也較活躍，因此人們逐漸將它們均統(tǒng)稱為智能材料與智能系統(tǒng)。一般來說，智能材料就是指具有感知環(huán)境（包括內(nèi)環(huán)境和外環(huán)境）刺激，并對其進行分析、處理、判斷，并采取一定的措施進行適度響應的含智能特征的材料。智能材料的構(gòu)想米源于仿生（就是模仿大自然中生物的一些獨特功能制造人類使用的工具，如模仿蜻蜓制造飛機等）。它的目標是想研制出一種材料，使它成為具有類似于生物的各種功能的“活”的材料。因此智能材料必須具備感知、驅(qū)動和控制這三個基本要素。但是現(xiàn)有的材料大都比較單一，難以滿足智能材料的要求，所以一般由兩種或兩種以上的材料復合構(gòu)成一個智能材料系統(tǒng)。這就使得智能材料的設(shè)計、制造、加工和性能結(jié)構(gòu)特征均涉及材料學的最前沿領(lǐng)域，使智能材料代表了材料科學的最活躍的方面和最先進的發(fā)展方向。智能材料包括壓電材料、電致伸縮、磁致伸縮、形態(tài)記憶合金和智能凝膠等材料。前面四種均具有在外場下可以移動的自結(jié)晶邊界界定的疇結(jié)構(gòu)，它們響應刺激產(chǎn)生的形狀變化使其可作為執(zhí)行元件。高分子凝膠則為大分子構(gòu)成的三維網(wǎng)絡，其結(jié)構(gòu)中含有能對外界環(huán)境(溫度、電場及化學物質(zhì))響應的部分，利用其大分子鏈或鏈段的構(gòu)象與結(jié)構(gòu)或基團的重排可使凝膠體積發(fā)生突變轉(zhuǎn)變，由此可調(diào)控其刺激響應性。生物材料智能化生物材料（biomaterial）是用于對生物體進行診斷、治療，修復或替換其病損組織與器官、增進其功能的新型高技術(shù)材料。它是研究人工器官和醫(yī)療器械的基礎(chǔ)，已成為材料學科的一個重要研究分支，尤其是隨著生物技術(shù)的蓬勃發(fā)展和重大突破，已成為各國科學家競相進行研發(fā)的熱點。當代生物材料已處于實現(xiàn)重大突破的邊緣，在不遠的將來，科學家有可能借助于生物材料設(shè)計和制造完整的人體器官，生物材料和制品產(chǎn)業(yè)將發(fā)展為21世紀世界經(jīng)濟的一個支柱產(chǎn)業(yè)。由生物分子構(gòu)成了生物材料，再由生物材料構(gòu)成了生物部件。生物體內(nèi)各種材料和部件有各自的生物功能。它們是“活”的，也是被整體生物控制的。生物材料中有很多結(jié)構(gòu)材料，包括骨、牙等硬組織材料和肌肉、臟、皮膚等軟組織材料；還有許多功能材料所構(gòu)成的功能比要困難得多，它要求材料能檢出（診斷）缺陷、由熱歷史和力學歷史伴生的微小裂紋以、及殘余應力等引起的材料內(nèi)部微小損傷，以預測其危險性。 結(jié)構(gòu)材料智能化的相關(guān)傳感功能實施可利用入射激光損耗（光纖復合化）、電導率的變化（碳纖維復合化）、表面彈性波、聲發(fā)射和磁變形效應等原理.執(zhí)行動能常采用壓電元件使基材變形，即微裂縫閉合;或讓形狀記憶合金通電加熱產(chǎn)生相轉(zhuǎn)變，使龜裂閉合。結(jié)構(gòu)材料的智能化不能損及力學性能。金屬間化合物不僅耐熱，且力學性能良好，還具有形狀記憶功能、高磁導率、疲勞誘發(fā)相轉(zhuǎn)變現(xiàn)象和儲氧功能等特點。智能材料的發(fā)展趨勢現(xiàn)代航空、航天、艦船、原子能、交通、機械、建筑、醫(yī)療等工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展，使得原來應用的各種材料，除了具有使用功能外，還要求具有安全性，即具有實現(xiàn)自診斷、損傷f印制、自修復相壽命預報等功能，智能材料則完全可以實現(xiàn)這些要求，智能材料的概念一經(jīng)提出，立即引起美國、日本和歐洲等發(fā)達國家重視，并投巨資成立專門機構(gòu)開展這方面研究。目前，智能材料的研究經(jīng)過基礎(chǔ)性研究與探索，已在基本原理、傳感器研制、作動器研制、功能器件與復合材科之間匹配技術(shù)、智能材料成型工藝技術(shù)、智能材料在特殊環(huán)境下的性能評價、主動控制智能器件等方面開展了許多工作，取得較大突破并且已經(jīng)從基礎(chǔ)性研究進入到預研和應用性研究階段，預計在未來的十年內(nèi)智能材料的研究將全面實用化，且實驗室研究進入實際結(jié)構(gòu)全面實用階段。隨著未來航空、航天、機械、電子、建筑、交通、醫(yī)療等軍用及民用工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展，必將對智能材料系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)的應用提出更高的要求，而智能材料也必將向更高層次發(fā)展，其發(fā)展趨勢將體現(xiàn)在以下幾個主要方面:1）傳感器和作動器的多功能集成：一種傳感器和作動器具有多個功能，是未來傳感器和作動器的發(fā)展趨勢，如埋入智能建筑結(jié)構(gòu)中的光纖傳感器既可以監(jiān)測結(jié)構(gòu)的應力、應變，同時還可以監(jiān)測它的腐蝕情況，作動器既可以改變形狀，又可以改變自身的顏色等。2）“材料—結(jié)構(gòu)—系統(tǒng)”一體化的智能系統(tǒng)自功化設(shè)計與制造：未來的智能材料應該實現(xiàn)從材料的制備到結(jié)構(gòu)的制造，進一步形成智能系統(tǒng)的整個過程的自動化。3）智能材料器件的微小型化：智能材料器件與微型機電系統(tǒng)MEMS的結(jié)合，使得智能材料系統(tǒng)更加小型化，小型化是未來發(fā)展的一個重要方向，例如，利用智能材料制造微型飛行器、微型機器人等。4）智能材料系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)中各器件的自功修復和替換技術(shù)：智能材料系統(tǒng)相結(jié)構(gòu)中各個器