智能材料的研究與應(yīng)用

智能材料的研究與應(yīng)用

0材料本構(gòu)模型智能材料也被稱為機(jī)械材料，其概念來自模仿。不同于結(jié)構(gòu)材料和功能材料,智能材料能通過自身的感知而獲取外界信息,作出判斷和處理,發(fā)出指令,繼而調(diào)整自身的狀態(tài)以適應(yīng)外界環(huán)境的變化,從而實(shí)現(xiàn)自檢測(cè)、自診斷、自調(diào)節(jié)、自適應(yīng)、自修復(fù)等類似于生物系統(tǒng)的各種特殊功能。但是現(xiàn)有的材料一般比較單一,難以滿足智能材料的要求,所以智能材料一般由2種或2種以上的材料復(fù)合構(gòu)成一個(gè)智能材料系統(tǒng)。隨著現(xiàn)代材料科學(xué)、微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展,智能材料在許多領(lǐng)域已引起人們的興趣并展現(xiàn)出廣闊誘人的發(fā)展前景。1智能材料的基本組成和工作原理智能材料一般由基體材料、敏感材料、驅(qū)動(dòng)材料和信息處理器4部分組成。(1)有機(jī)質(zhì)材料基體材料擔(dān)負(fù)著承載的作用,一般宜選用輕質(zhì)材料。高分子材料重量輕、耐腐蝕,具有粘彈性的非線性特征而成為首選,其次也可選用金屬材料,以輕質(zhì)有色合金為主。(2)壓力、溫度、磁場(chǎng)、ph值敏感材料擔(dān)負(fù)著傳感的任務(wù),其主要作用是感知環(huán)境變化(包括壓力、應(yīng)力、溫度、電磁場(chǎng)、pH值等)。常用敏感材料如形狀記憶材料、壓電材料、光纖材料、磁致伸縮材料、電致變色材料、電流變體、磁流變體和液晶材料等。(3)應(yīng)變和應(yīng)力因?yàn)樵谝欢l件下驅(qū)動(dòng)材料可產(chǎn)生較大的應(yīng)變和應(yīng)力,所以它擔(dān)負(fù)著響應(yīng)和控制的任務(wù)。常用驅(qū)動(dòng)材料有形狀記憶材料、壓電材料、電流變體和磁致伸縮材料等。(4)其他功能材料包括導(dǎo)電材料、磁性材料、光纖和半導(dǎo)體材料等。(5)信息處理器信息處理器是核心部分,它對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行判斷處理。圖1所示為智能材料的基本構(gòu)成和工作原理。2金屬系智能材料可用于智能材料的材料種類在不斷擴(kuò)大,因此智能材料的分類方法很多。一般若按功能來分可以分為光導(dǎo)纖維、形狀記憶合金、壓電、電流變體和電(磁)致伸縮材料等。若按來源來分,可以分為金屬系智能材料、無機(jī)非金屬系智能材料和高分子系智能材料。金屬系智能材料目前所研究開發(fā)的主要有形狀記憶合金和形狀記憶復(fù)合材料兩大類;無機(jī)非金屬系智能材料在電流變體、壓電陶瓷、光致變色和電致變色材料等方面發(fā)展較快;高分子系智能材料的范圍很廣泛,有高分子凝膠、智能高分子膜材、智能型藥物釋放體系和智能高分子基復(fù)合材料等。3智能材料的廣泛應(yīng)用作為一種新興技術(shù)材料,智能材料的應(yīng)用日益引起人們的廣泛興趣,在軍事、醫(yī)學(xué)、建筑和紡織服裝等領(lǐng)域都有著廣闊的發(fā)展前景。3.1武器裝備未來發(fā)展的路徑智能材料在軍事應(yīng)用中具有很大的潛力,其研究、開發(fā)和利用,對(duì)未來武器裝備的發(fā)展將產(chǎn)生重大影響。目前,在各種軍事領(lǐng)域中,智能材料的應(yīng)用主要涉及到以下幾個(gè)方面。(1)美國(guó)《：大型機(jī)動(dòng)環(huán)境是比陣風(fēng)鋒的大型發(fā)射材料,在美國(guó)第一光纖作為智能傳感元件用于飛機(jī)機(jī)翼的智能蒙皮中,或者在武器平臺(tái)的蒙皮中植入傳感元件、驅(qū)動(dòng)元件和微處理控制系統(tǒng)制成的智能蒙皮,可用于預(yù)警、隱身和通信。1985年美國(guó)空軍的“預(yù)測(cè)計(jì)劃II”首先提出了光纖智能蒙皮/結(jié)構(gòu)的概念。隨著進(jìn)一步的研究發(fā)展,1994年美國(guó)空軍動(dòng)力飛行實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了結(jié)構(gòu)飛行演示,麥道公司對(duì)F-15戰(zhàn)斗機(jī)的外側(cè)前緣、F-18戰(zhàn)斗機(jī)的蒙皮進(jìn)行了智能結(jié)構(gòu)飛行試驗(yàn)。目前,為了未來的彈道導(dǎo)彈監(jiān)視和預(yù)警衛(wèi)星系統(tǒng),美國(guó)彈道導(dǎo)彈防御局正在研究在復(fù)合材料蒙皮中植入核爆光纖傳感器、X射線光纖探測(cè)器、激光傳感器、射頻天線等多種傳感器的智能蒙皮。這種智能蒙皮可以被安裝在天基防御系統(tǒng)空間平臺(tái)的表面上,實(shí)時(shí)監(jiān)視和預(yù)警來自敵方的各種威脅,預(yù)計(jì)在2010年前后能獲得初步應(yīng)用。美國(guó)空軍萊特實(shí)驗(yàn)室正在把一個(gè)承載天線結(jié)合到表層結(jié)構(gòu)中,與傳統(tǒng)外部嵌置的天線相比,這種一體化結(jié)構(gòu)的天線能夠有效提高飛行器的空氣動(dòng)力性能、減輕飛行器結(jié)構(gòu)重量和體積、提高天線性能、降低生產(chǎn)成本和維修費(fèi)用。該計(jì)劃預(yù)計(jì)在2013年進(jìn)行模型樣機(jī)的試飛。(2)狀態(tài)檢測(cè)與損傷估計(jì)智能結(jié)構(gòu)可以對(duì)構(gòu)件內(nèi)部的應(yīng)變、溫度、裂紋進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量,探測(cè)其疲勞和受損傷情況,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和對(duì)壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。光纖具有尺寸小、質(zhì)量輕、可撓曲、耐腐蝕,不受電磁干擾,與復(fù)合材料有良好相容性等特點(diǎn),且靈敏度高、耐高溫,易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)量而受到人們的青睞。目前一些先進(jìn)國(guó)家采用光纖智能材料與結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)合材料的狀態(tài)檢測(cè)與損傷估計(jì),即在材料或結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位埋置光纖傳感器或其陣列進(jìn)行全壽命期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、損傷評(píng)估和壽命預(yù)測(cè)。空間站等大型在軌系統(tǒng)采用光纖智能結(jié)構(gòu),可實(shí)時(shí)探測(cè)由于交會(huì)對(duì)接碰撞、隕石撞擊或其他原因引起的損傷,對(duì)損傷進(jìn)行評(píng)估,實(shí)施自診斷。壓電元件由于既可作傳感器又可作驅(qū)動(dòng)器,頻響高,處理電路簡(jiǎn)單,近年來基于壓電元件的結(jié)構(gòu)損傷實(shí)時(shí)在線檢測(cè)成為國(guó)際上的熱點(diǎn)。美國(guó)斯坦福大學(xué)采用分布式壓電傳感器、驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)所受沖擊機(jī)沖擊損傷情況的研究,荷蘭國(guó)家宇航實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)波音公司、美國(guó)Sandia及LosAlamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室等研究機(jī)構(gòu)也都在進(jìn)行這方面的研究。形狀記憶合金(SMA)應(yīng)用于智能復(fù)合材料是由于其在低溫下的形狀記憶功能和其在高溫下的超彈性,應(yīng)用最為廣泛的是NiTi合金。美國(guó)應(yīng)用SMA制成了夾心結(jié)構(gòu)樹脂基復(fù)合材料用于“柔性機(jī)翼”。該機(jī)翼在各種飛行速度下可自動(dòng)保持最佳翼型,提高飛行效率,并可自行抑制出現(xiàn)的危險(xiǎn)振動(dòng)。(3)積分型智能結(jié)構(gòu)智能結(jié)構(gòu)用于航空航天系統(tǒng)可以消除系統(tǒng)的有害振動(dòng),減輕對(duì)電子系統(tǒng)的干擾,提高系統(tǒng)的可靠性;用于艦艇,可以抑制噪聲傳播,提高潛艇和軍艦的聲隱身性能。國(guó)外正在研究的具有減振降噪功能的智能結(jié)構(gòu)主要由壓電陶瓷、形狀記憶合金和電致伸縮等新材料制成。如Lord公司用超磁致伸縮材料研制的一套智能減震系統(tǒng),安裝在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)支架上,使機(jī)艙內(nèi)的噪聲減小20dB以上。將壓電材料置入飛機(jī)機(jī)身內(nèi),當(dāng)飛機(jī)遇到強(qiáng)氣流而振動(dòng)時(shí),壓電材料便產(chǎn)生電流,使艙壁發(fā)生和原來振動(dòng)方向相反的振動(dòng),抵消氣流引起的振動(dòng)噪音。(4)提高響應(yīng)和自適應(yīng)機(jī)翼模型由智能結(jié)構(gòu)制成的自適應(yīng)飛機(jī)機(jī)翼,能實(shí)時(shí)感知外界環(huán)境的變化,同時(shí)驅(qū)動(dòng)機(jī)翼發(fā)生彎曲、扭轉(zhuǎn)以改變翼型和攻角,從而獲得最佳的氣動(dòng)特性,自適應(yīng)機(jī)翼將大大減輕重量,提高響應(yīng)速度,減少轉(zhuǎn)彎半徑,改善雷達(dá)散射截面,增大升阻比。例如當(dāng)飛機(jī)在飛行過程中遇到渦流或猛烈的逆風(fēng)時(shí),機(jī)翼中的智能材料就能迅速變形,并帶動(dòng)機(jī)翼改變形狀,從而消除渦流或逆風(fēng)的影響,使飛機(jī)仍能平衡地飛行。美國(guó)Grumman飛機(jī)公司用超磁致伸縮智能型材料作驅(qū)動(dòng)組元制造的自適應(yīng)機(jī)翼模型,其響應(yīng)速度比傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)提高了20倍,后緣傾轉(zhuǎn)60%,航程增加了35%。美國(guó)波音公司和麻省理工學(xué)院聯(lián)合研究出在槳葉中嵌入智能纖維,可使電致流變體時(shí)槳葉扭轉(zhuǎn)變形達(dá)幾度。3.2醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用智能材料與現(xiàn)代醫(yī)學(xué)聯(lián)系日益密切,一些傳統(tǒng)醫(yī)療方法得到革命性的改變,而智能材料醫(yī)療器械更是顯現(xiàn)出其巨大的優(yōu)勢(shì)。(1)納米皮膚材料科學(xué)家們已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室里開發(fā)出了人造骨、人造血管、人造角膜、人造皮膚等人造器官。但安全性一直受到質(zhì)疑,美國(guó)藥物及食品管理局迄今為止只批準(zhǔn)了人造皮膚這一個(gè)產(chǎn)品的市場(chǎng)銷售。從20世紀(jì)80年代美國(guó)麻省理工學(xué)院的Bell教授發(fā)現(xiàn)纖維細(xì)胞可滲入膠原中生長(zhǎng)并形成真皮類似結(jié)構(gòu)到后來在此基礎(chǔ)上開發(fā)的雙層人造皮膚Apligraft,人們一直想在這方面有更大的進(jìn)展和突破。1994年意大利比薩大學(xué)的科研人員研制成功一種人造皮膚智能材料,這種材料能夠感知到溫度、熱流的變化以及各種應(yīng)力的大小,并具有良好的空間分辨力。2004年日本北里大學(xué)黑柳能光教授研制出一種新型人造皮膚,為重度燒傷及褥瘡患者帶來了福音。該人造皮膚是一層由膠原和透明質(zhì)酸制成的特殊海綿,海綿上附有志愿者提供的皮膚細(xì)胞。隨著科技的發(fā)展,學(xué)科的交叉滲透,相信這種人造皮膚智能材料會(huì)得到進(jìn)一步的開發(fā)和利用。(2)溫敏水凝膠的作用機(jī)制智能型水凝膠作為醫(yī)藥控制釋放材料是近年研究的熱點(diǎn),如:載胰島素的PMMA凝膠對(duì)胰島素的釋放受電場(chǎng)開-關(guān)的控制,具有通斷特性;溫敏水凝膠可作為骨架材料、控釋膜、微球及膠團(tuán)藥物載體等應(yīng)用形式對(duì)藥物進(jìn)行控釋;此外,有科學(xué)家正在研制一種能根據(jù)血液中葡萄糖濃度而擴(kuò)張收縮的聚合物,這種聚合物可制成人造胰細(xì)胞,注入糖尿病患者的血液中,小球就可模擬胰細(xì)胞工作,使病人的血糖濃度始終保持在正常的水平上。(3)高分子聚合物藥物膠囊圖2所示為一種高分子聚合物抗癌藥物膠囊,即藥物“導(dǎo)彈”。圖中的疏水性藥物載體形成了“導(dǎo)彈”的疏水內(nèi)核,而親水性聚乙烯二醇則在內(nèi)核周圍形成了一個(gè)水化物外殼。這種高分子聚合物藥物膠囊是一種智能型藥物載體,它能自動(dòng)避開機(jī)體內(nèi)單核吞噬細(xì)胞的捕獲而有效到達(dá)癌細(xì)胞所在地。20世紀(jì)90年代后期,利用對(duì)電磁場(chǎng)敏感的鐵氧體包覆Ti-Ni形狀記憶合金絲,Y.Furuya.等研制出了癌癥溫?zé)岑煼ㄓ冕?。首?通過導(dǎo)管將這種針植入病人癌變部位,由于形狀記憶作用,這種針會(huì)發(fā)生彎曲變形現(xiàn)象;其次,在通過渦流效應(yīng)產(chǎn)生高頻電磁場(chǎng)的作用下,形狀記憶合金針將產(chǎn)生一定的熱量而使癌變區(qū)得到萎縮。3.3自適應(yīng)變化結(jié)構(gòu)智能材料在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用研究也極為廣泛,在振動(dòng)控制、損傷檢測(cè)、裂紋修復(fù)以及智能建筑材料方面均有涉及,并取得了一定的成效。1994年德國(guó)的Calgary市建成了第一座由預(yù)應(yīng)力碳纖維復(fù)合材料和鋼筋結(jié)構(gòu)組成的橋,在碳纖維中加入光纖布拉格光柵應(yīng)變傳感器構(gòu)成了智能結(jié)構(gòu),以檢測(cè)碳纖維預(yù)應(yīng)力的損失情況。在地震多發(fā)區(qū)應(yīng)用智能結(jié)構(gòu)的建筑物通過振動(dòng)控制,將大大提高建筑物的抗震性。日本已研制成一種形狀記憶合金,通過對(duì)合金加熱收縮來防止裂紋的擴(kuò)展,用于防止地震等造成的橋梁或大型建筑物的建筑、土木結(jié)構(gòu)的突發(fā)性破壞。美國(guó)人則通過研究,在建筑物的合成梁中埋入形狀記憶合金纖維,在熱電控制下,該纖維能像人的肌肉纖維一樣產(chǎn)生形狀和張力的變化,從而根據(jù)建筑物受到的振動(dòng)改變梁固有剛性和固有振動(dòng)頻率,減小振幅,使框架結(jié)構(gòu)的壽命大大延長(zhǎng)。自修復(fù)行為是智能材料的一項(xiàng)重要功能。日本東北大學(xué)的三橋博三教授將內(nèi)含粘接劑的空心膠囊或玻璃纖維滲入混凝土材料中,若混凝土在外力作用下發(fā)生開裂,則部分膠囊或空心纖維會(huì)破裂,粘接液流出后深入裂紋,可使混凝土裂紋重新愈合。3.4自動(dòng)調(diào)溫紡織品纖維狀智能材料——智能纖維是指當(dāng)纖維所處的環(huán)境發(fā)生變化時(shí),纖維的形狀、溫度、顏色和滲透速率等隨之發(fā)生敏銳響應(yīng),即突躍性變化的纖維。智能纖維能感知環(huán)境的變化或刺激(機(jī)械、熱、化學(xué)、光、濕度、電磁等),并能作出反應(yīng)。一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已相繼開發(fā)了大批高性能、高功能的新一代化學(xué)纖維。由智能纖維做成的智能紡織品和智能服裝被一些專家認(rèn)為是紡織服裝工業(yè)的未來。日本曾經(jīng)掀起形狀記憶合金襯衫熱,因?yàn)樵擃愐r衫的纖維不縮不皺,洗后很快即可干燥,而且不需熨燙即可恢復(fù)筆挺的狀態(tài),因而受到單身上班族和家庭主婦的青睞。自動(dòng)調(diào)溫紡織品是將相變蓄熱技術(shù)與紡織品制造技術(shù)相結(jié)合而開發(fā)出的一種高技術(shù)產(chǎn)品,具有自動(dòng)吸收、儲(chǔ)存、分配和放出熱量的功能?？砂严嘧儾牧辖?jīng)過微膠囊化后結(jié)合到纖維中,織成面料做成服裝。穿著這種服裝的人在滑雪時(shí),身體產(chǎn)生熱量,這些熱量會(huì)由相變材料吸收,停止活動(dòng)時(shí),身體變冷,相變材料將釋放熱量,進(jìn)行溫度調(diào)節(jié),從而確保穿著者有一個(gè)舒適的溫度。這種自動(dòng)調(diào)溫紡織品可用于服裝、室內(nèi)裝飾、床上用品、鞋襪以及醫(yī)療用品。飛利浦公司和Levi’s公司合作生產(chǎn)了一種音樂夾克,是把光纖和軟鍵盤埋入衣料內(nèi),并在衣領(lǐng)內(nèi)植入微型麥克風(fēng)和立體聲耳機(jī),利用光纖將隨身攜帶的電子產(chǎn)品連接起來,實(shí)現(xiàn)對(duì)手機(jī)和播放機(jī)的控制,而麥克風(fēng)和耳機(jī)則可與外界對(duì)話和收聽廣播,從而形成了一個(gè)簡(jiǎn)易的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。近年來比較熱的智能抗菌織物主要是在纖維內(nèi)部包藏了抗菌劑,保障了纖維的耐久性和安全性。也可將壓電材料粉末加入到纖維中,壓電粉末在受力后發(fā)生放電現(xiàn)象可使纖維具有良好的消除疲勞、抗菌、防臭等功能。4應(yīng)用研究與基礎(chǔ)研究并行發(fā)展智能材料與結(jié)構(gòu)發(fā)展異常迅速,雖然還是一個(gè)不成熟的領(lǐng)域,但由于應(yīng)用迫切,其應(yīng)用研究與基礎(chǔ)研究并行發(fā)展。作為一種新技術(shù),它在航空航天、國(guó)防軍事、建筑、紡織、醫(yī)學(xué)、汽車等部門都有著廣闊的發(fā)展前景,其未來熱點(diǎn)應(yīng)用主要集中在以下幾個(gè)方面。(1)“取代汽車”隨著智能材料與結(jié)構(gòu)的發(fā)展,“個(gè)人航空器”取代汽車已不再是科幻小說。目前已存在可調(diào)機(jī)翼的飛機(jī),但像生命有機(jī)體一樣可以伸縮和有反應(yīng)能力的飛機(jī)和航天器將是研究的熱點(diǎn)。(2)智能材料傳感器的應(yīng)用隨著智能材料和人工智能技術(shù)特別是微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展,智能傳感器將在各個(gè)高新技術(shù)領(lǐng)域得到應(yīng)用。目前研制的智能材料傳感器如光纖傳感器、壓電傳感器、微芯片傳感器等在各領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)取得一定成效,未來的智能材料傳感器應(yīng)具有更強(qiáng)大的功能。如:傳感器自身能消除異常值和例外值,提供更全面、更真實(shí)的信息;除了自適應(yīng)和自調(diào)節(jié)功能外,還有一定的智能算法及自學(xué)習(xí)功能;可通過數(shù)字通信接口而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化和遠(yuǎn)程控制等。(3)．網(wǎng)面為非年代的建筑智能材料的發(fā)展,特別是毫米塑料設(shè)想的提出,使智能化住宅的夢(mèng)想離現(xiàn)實(shí)越來越近?？扇我飧淖冾伾膲Ρ?根據(jù)人體需要可隨時(shí)調(diào)節(jié)溫度的水流,隨著季節(jié)變化可控溫度和濕度的房屋,所有的電器都是觸摸式的,永遠(yuǎn)不會(huì)再有觸電的危險(xiǎn)……。這種理想的智能化住宅將顯著提高人們的生活質(zhì)量。5全球智能材料的應(yīng)用前景可用作智能材料的材料種類在不斷擴(kuò)大,所涉及到的各種材料、航空航天、醫(yī)藥學(xué)、生物學(xué)、信息處理、自動(dòng)控制和計(jì)算機(jī)工程等都在快速發(fā)展。作為多種材料和高技術(shù)的綜合與集成,智能材料