智能材料的研究應用及發展趨勢

韓 銘

河南建筑材料研究設計院有限責任公司（450002）

智能材料的研究應用及發展趨勢

韓 銘

河南建筑材料研究設計院有限責任公司（450002）

介紹了智能材料的種類及國內外關于智能材料的研究現狀，并對智能材料的研究方向和發展應用趨勢進行了論述。

智能材料；應用；發展趨勢

0 引言

材料是人類生活和生產的基礎,一般將其劃分為結構材料和功能材料兩大類。對結構材料主要要求的是其機械強度；而對功能材料則側重于其特有的功能。智能材料不同于傳統的結構材料和功能材料，它模糊了兩者之間的界限，并加上了信息科學的內容，實現了結構功能化、功能智能化。由智能材料組成的智能結構具備傳感、驅動和控制三個基本要素，能通過自身的感知，做出判斷，發出指令，并執行和完成動作，實現自檢測、自診斷、自監控、自校正自修復及自適應等多種功能。當前，科學技術的發展對材料性能的要求越來越高,材料智能化的概念已極大地影響著人們在材料設計、制造和應用過程中的思維方式，光導纖維傳感技術、微電子學技術、自組裝材料制備技術以及其他相關技術的發展又給智能材料與結構的研究提供了新的研究手段、打開了更大的想象空間。目前國際上有關智能材料與結構的研究非常活躍，每年都要召開與之相關的學術會議，新設想、新成果不斷出現。

1 智能材料的研究現狀

智能材料發展隨著科技、航天技術、智能化建筑等要求的提高，近年來正不斷快速進步。自1985年起，美國政府提出了開展智能材料的研究計劃,要求航天飛行器具有自適應性能。1987年，此項目列入美國空軍科研項目。1990年，四大學會(ADDA、AIAA、ASME、SPIE)聯合舉辦了主動材料和自適應材料技術交流會。同年，美國舉行了美日聯合第一屆自適應結構學術交流會。近年來，國際上關于智能材料的研究和學術活動十分活躍;我國對這一新興學科的研究也十分重視，國家自然科學基金、航空基金等從1993年起每年都將智能材料列入研究計劃項目，此后的資助強度不斷加大。國內已有一批研究單位在該領域的研究達到國際先進水平。

1.1 壓電智能材料

壓電效應是指在材料上施加機械力應力時,材料的某些表面會產生電荷，這種現象被稱為正壓電效應;與此相對應，如對材料的某些表面施加電場，則材料會產生幾何變形，此現象被稱為逆壓電效應。壓電智能材料包括壓電陶瓷、壓電聚合物和壓電復合材料等。

壓電陶瓷的優點是可通過調節組分改變材料的性能，而且其耐熱，耐濕和化學穩定性好等。目前應用最廣泛的壓電陶瓷有鈦酸鋇、鈦酸鉛、鋯鈦酸鉛(PZT)和鋯鈦酸鉛鑭(PLZT)。其中，PZT具有較高的居里溫度、高介電常數、高機電耦合系數，其研究和應用一直十分活躍。

壓電聚合物智能材料，如聚氟乙烯(PVDFP或VDF2)，突出的優點是具有低的聲阻抗和介電常數,柔軟性好，耐擊穿。美國佛羅里達大學制成了壓電聚合物傳感器,用以識別盲文書信和不同級別的砂紙，具有接近100%的準確性，在勘探和目標識別中大有前途。目前，壓電材料已成功應用于各種光跟蹤系統、自適應光學系統、機器人位移定位器、磁頭、噴墨打印機和揚聲器等高科技領域。

1.2 形狀記憶智能材料

在高溫下處理成一定形狀的金屬急冷下來，在低溫狀態下經塑性變形為另一種形狀，當再加熱至高溫穩定狀態時，材料通過馬氏體相變恢復到低溫塑性變形前的形狀，這就是形狀記憶效應。著名的形狀記憶合金有鎳鈦合金、InTl、CuAl、NiAl、AgZn和AgZd等。形狀記憶合金冷卻時呈橡皮狀，加熱時很像不銹鋼。它最初用于拉曼F14戰斗機中液壓管接頭密封，防止高壓液泄露。

現在，美國已制造出用形狀記憶合金作為致動器的樹脂基復合材料夾心結構的“柔性機翼”；該機翼可在各種飛行速度下始終自動保持最佳翼型，大幅度提高飛行效率，可對出現的危險振動自行抑制。形狀記憶合金隨溫度變化而改變其彈性模量，可以作為力學執行器和剛性執行器，控制運動和形狀。日本人制成了一種形狀記憶合金，通過對合金加熱收縮來防止裂紋的擴展,用于防止地震等造成的橋梁或大型建筑物的建筑、土木結構的突發性破壞。美國人在建筑物的合成梁中埋植形狀記憶合金纖維，在熱電控制下，能像人的肌肉纖維一樣產生形狀和張力的變化,從而根據建筑物受到的振動改變梁固有剛性和固有振動頻率，減小振幅，使框架結構的壽命大大延長。形狀記憶合金在自動探測和主動控制等方面，也取得了很大的進展。

1.3 光纖智能材料

早在1991年美國就提出智能構件 “健康”監控系統(SHMS)，其中的傳感材料就是光纖。人們最初關心的是光纖維材料的埋入,是否會引起材料層間斷裂韌性的下降或基體材料的損傷。后來的實驗表明，對環氧復合材料埋入光纖，并沒有降低拉伸強度和壓縮強度,也沒有引起層間斷裂韌性的降低。

目前,人們使用光纖已制作成各種埋入式復合材料傳感器，其作用有:①監測復合材料加工制造過程，隨時報告加工過程中出現的缺陷；②監測飛行器結構所處的狀態，隨時報告疲勞和溫度等情況;③利用光纖傳感器和神經網絡處理器對結構進行在線綜合評估。加拿大多倫多大學和波音公司建立了世界上首架含有光纖的機翼前緣損傷評估系統原型。沖擊過載實驗表明，埋入光纖進行損傷評估是可行的，并解決了埋入光纖的處理和鋪層分布、多傳感器的結構和多路傳輸、傳感器信號的再生和結構間連接等問題。

1.4 電流變體智能材料

電流變體是由微米尺寸顆粒懸浮于絕緣體中形成的懸浮液。在外電場作用下，電流變體可以在液態和固態之間作快速、可逆、可控的變化。即在外電場作用下，電流變體在極短的時間內其表觀粘度增加幾個數量級,從流動的液體變成凝膠狀的固體；電場撤去后，又可以瞬間恢復流動狀態。電流變體的主要特點是響應速度快，缺點在于轉變電壓太高，性能易受外界影響。

電流變體材料要求有良好的顆粒/載液組合以及長期穩定性和使用重復性。它一般由分散相、分散介質和添加劑組成。分散相多為直徑在微米級的多孔疏松顆粒，可以是無機物(如硅酸鋁、二氧化硅等)或有機物(聚甲基丙烯酸鹽、酚醛樹脂、羧甲基纖維素等)；可以是單相顆粒，也可以是復相顆粒(如包有聚合物殼的導電顆粒等)。分散介質為導電性較差的液體，如硅油、礦物油、鹵代烴等。加入到電流變體中的添加劑主要有兩類：穩定劑和活化劑。穩定劑通常為表面活性劑或高分子化合物。活性劑主要是一些極性物質 (如水、乙醇、乙二醇等)或離子型化合物(如 KCl、NaNO2、NaCl等)，加入后可明顯提高電流變體的電流變效應。目前，電流變體在基礎理論、材料研究及工程應用方面已取得一定的發展。美國波音公司應用電流變閥門進行飛機自動噴漆,得到大面積彩色圖案。電流變體還可用于無級可調、容易控制、響應速度高的離合器。近來美國能源部對電流變體進行了評估，肯定了這種材料在自動設備、通用機械、液壓和交通等領域的重要應用。

2 智能材料的應用前景及發展趨勢

2.1 用于航空航天方面

1）直升飛機旋翼輪葉:最早引起社會興趣和工業界重視的智能材料結構是美國人研制的具有減振效果和診斷功能的“智能材料機翼”，在飛機的機翼部件中，埋入光導纖維等內應力傳感器,這些傳感器系統能將飛機機翼各個部分的重力情況及時告知信息處理中心,進而反饋信號，使機翼及時平衡和抵消多余的振動,而執行減振驅動指令的則是形狀記憶合金及其網絡。

2）智能蒙皮:不僅是飛機,其它飛行器如火箭、衛星，還有潛水艇等的表皮都應有隨外界條件變化而變化以及探測周圍環境的能力，具有這樣功能的表皮(蒙皮)稱為智能(或機敏)表皮(蒙皮)。未來飛機蒙皮不僅起機翼作用，它還可以檢測飛行速度、溫度、濕度等各種氣象條件，并能對變化的環境做出反應，如改變機翼形狀等。另一功能是適合于當前的電子戰，即具有識別、人為干擾、屏蔽通訊、威脅警告的電子保障系統。對于材料內部的缺陷和損傷，智能表層能進行自診斷、自修復、自適應，還能抑制噪聲和振動；對于航空航天飛行器座艙能夠自動通風、保暖和冷卻。

3）翼面的氣動彈性設計:如果在翼面中埋入傳感元件和驅動元件，利用驅動元件改變機翼翼面下表面的曲度，就可使機翼具有足夠的升力而不增大阻力。也可以利用驅動元件改變機翼前緣和后緣的角度等,傳感元件監測動作的情況和程度，以達到自適應氣動彈性控制。

4）能夠實現精確控制的智能結構:如空間站的天線，在地面上是收攏的，到高空緩慢地展開，尺寸很大又細長，形狀和方向精度要求很高，在空間無重力、無阻尼作用下，必須采用能實現主動控制振動和形狀的智能桁架結構。通過在天線反射面邊界上布置一批驅動器和測量表面誤差的傳感器，在天線內布設控制驅動器的編碼器和控制電路。當傳感器測出表面誤差不符合要求時由控制電路通過編碼器激活驅動器，實現自適應控制。

5）飛行狀態的監測:為了保證飛行安全，無論是民用還是軍用飛機都必須隨時監測，甚至離開服役現場大修檢測。飛機結構中埋入傳感器，可與人工智能、信號處理器和適當的計算機硬件一起,連續及時地評價飛機結構的狀態和完整性，以防止發生突發性災難。在軍艦方面也需要智能表層，它能調整軍艦的外殼特性，減少和改變艦上發出的聲音，使敵方聲納檢測不到本艦的聲訊號;同時可以將軍艦表皮模仿海豚的皮膚，減少阻力，也要求表層材料本身能夠做到自診斷、自適應、自修復。

2.2 用于土木建筑及混凝土方面

智能結構在土木建筑及混凝土方面具有很好的應用前景，目前主要集中在高層建筑、橋梁、水壩等方面。大型混凝土結構的安全性診斷，是國內外智能材料系統研究的重點之一。日本東京大學柳田博明等人將碳素纖維和玻璃纖維組合，埋入混凝土中，以檢測混凝土的應力狀態和形變量。兩種纖維在電學性能及力學性能方面的互補性,使纖維在增加強度的同時,還能通過纖維電阻的變化分析出混凝土中的受力狀態、形變程度和破壞情況，起到診斷裂紋和警報損傷甚至預測服役壽命的作用。他們已經把這種纖維增強的混凝土智能材料成功地應用于銀行等重要結構設施的防盜報警墻體。在鋼筋混凝土結構中埋入傳感器，并組成網絡，就可以實時監測結構的完整性和性能,并能進行通訊和設備控制。

對于承受循環應力的材料，尤其是運載工具，會由于疲勞而發生破壞。智能結構可在裂紋萌生后，由傳感器指示裂紋位置，并指揮相應的驅動器動作,使裂紋尖端形成壓應力，防止裂紋繼續擴展。

1）光纖傳感器在混凝土固化監測中的應用:為了解決溫濕度變化引起溫度梯度以及水化熱產生溫差引起內應力的問題，可利用埋入式光纖傳感器對大型混凝土結構進行內溫監測。混凝土的抗拉強度僅為抗壓強度的1/10，因此在結構的受拉區加入鋼筋。通常將光纖傳感器埋入未固化的混凝土時，除要求光纖界面和水泥之間有良好的結合，還要求光纖在可塑材料填充和機械振動時不受損傷及在高度堿性水泥糊劑環境中具有化學耐久性。

2）在混凝土磚及大壩上的應用:工程結構的過量位移或變形會導致結構失穩并造成破壞。運用光纖技術可以實現大壩結構的連續可靠的監測。光纖位移極限信號裝置DLS可用于檢測大壩縫隙變化,光纖應變計可以用于縫隙或不透水瀝青混凝土水壩狀態變化的長期監測,環形光纖傳感器分為兩路，分別連接壩體的兩邊，用一特別的材料封裝在大壩混凝土中心。當應變計用力鎖定模式安裝時，徑向變化可引起傳感器傳輸性質的變化。

3）在房屋建筑中的應用:①建筑系統和輔助設施的管理和控制，埋入通訊光纖可進行通信和辦公自動化；光纖傳感器可控制加熱、空調、下水道設備、電力、照明、電梯、火警及出入控制，還可測量壓力、水管流量、溫度，控制溫度、電動閥門、水泵、鍋爐等。②結構監測和損傷評估:對于承載很大又很重要的構件，可以在鋼筋混凝土制作時埋入光纖陣列，通過微型計算機及神經網絡判斷缺陷的位置。由于水泥抗拉伸性較差，通常將光纖安裝在水泥受拉伸處，檢測水泥是否出現裂縫。高層建筑的基樁完整性檢查也是一個大問題，若在基樁中埋入偏振型或分布式光纖傳感器,則可以直接判斷基樁是否出現破壞。將碳纖維加入混凝土中，則可形成智能混凝土，不存在埋入問題和相容性問題。目前的研究表明將碳纖維材料作為導電材料加入到水泥漿中,當纖維用量合適且制備工藝合適時,硬化電阻的特性會隨外界的壓力變化而變化，也即對應力敏感，利用這一特性，這種材料不僅可用作結構材料而且可用作智能材料，用于結構監測和損傷評估。③試驗應力分析:利用埋入光纖測量混凝土的強度、彈性及位移等，在此基礎上設計結構，將使結構設計更經濟和安全。例如將光纖陣列埋在機場跑道上，可以測得飛機起飛著陸時跑道上的應力狀態，得到二維應變圖，有利于跑道再設計和對跑道的維修。用纖維壓縮法確定混凝土彈性模量及現場進行對比試驗，在距離表面幾厘米處埋入絞和光纖，借助于安裝在混凝土表面上的手搖螺旋器把壓力施加給纖維，當施加的壓力增大時，絞合光纖的曲率增大，光纖管檢測到的光通量增加，一定壓力下，混凝土的強度和模量與光通量有關。在混凝土中埋入單模偏振型光纖傳感器，混凝土受載荷時光面產生旋轉，由光敏管檢測出旋轉情況，即可得到混凝土的強度和模量。

4）智能自修復混凝土:可采取定期檢測并觸發其自修復功能(如用電激發等)的方法，也可結合太陽能混凝土研究，混凝土中置入太陽能轉換機制，當出現裂紋時，轉換機制動作，直接觸發或通過另外的機制觸發自修復作用(打破原子微區反應的壁壘—包囊等)；植入纖維或形成電解質(或絕緣物質)薄膜包裹，出現裂紋后電性能發生變化，然后通過某種機制觸發原子微區反應。技術原理為:①原子微區反應導致自修復作用；②裂紋應力觸發自修復作用；③斷裂表面能增加觸發自修復作用;④新鮮表面的氧化作用和吸附作用觸發自修復作用;⑤裂紋產生前后的溫濕度變化觸發自修復作用；⑥混凝土本征結構破壞觸發自修復作用；⑦周期性自檢觸發自修復作用；⑧其它機理導致自修復作用。

2.3 用于機器人

形狀記憶合金(SMA)能夠感知溫度或位移的變化，可將熱能轉換為機械能。如果控制加熱或冷卻，可獲得重復性很好的驅動動作。用SMA制作的熱機械動作元件具有獨特的優點，如結構簡單、體積小巧、成本低廉、控制方便等。近年來，隨著形狀記憶合金逐漸進入工業化生產應用階段，SMA在機器人中的應用（如在元件控制、觸覺傳感器、機器人手足和筋骨動作部分的應用）十分引人注目。

2.4 金屬材料自愈合

中科院沈陽金屬所的研究發現，用強脈沖的方法，對金屬材料進行斷續通電處理，能愈合材料內部的一些裂紋和缺陷，使金屬達到自愈合的效果。西北工業大學的研究表明，將內部充填有粘稠物質的空心管狀物埋入無機材料中，能使無機材料達到裂紋自愈合的效果。

2.5 控制振動和噪聲

智能材料系統最成熟的應用之一是主動結構聲控。例如，飛機殼體的振動來自飛機發動機。具體控制方法是由機敏材料(形狀記憶合金纖維、壓電陶瓷等)做成誘發應變調節器(Induced strain actuators)，把它分布在振動結構中。它以低頻作用一個力在結構上,抵消那些能夠向外輻射的聲振動模式，從而控制低頻噪聲，而不是采用讓整個結構停止振動的方法。

誘發應變調節器另一作用是改善材料的疲勞壽命。據報道，美國弗尼吉亞州立大學和工學院(Virginia Tech)在實驗室使用壓電陶瓷調節器抵抗高應力集中處的應變，使零件的疲勞壽命延長一個數量級。這是目前使用智能材料系統研究解決結構疲勞的具體嘗試。在智能材料與結構中，傳感元件對結構的振動進行監測,驅動元件在微電子系統的控制下準確地動作，以改變結構的振動狀態，這樣就出現了具有振動和噪聲主動控制功能的智能結構。應用形狀記憶合金可設計出具有減振降噪功能的智能結構。1988年6月，美國密執安州立大學復合材料與結構中心實驗室的M.V.Gandhi等人首次公布了將電流變體與復合材料相結合的智能復合材料的研究結果。他們在復合材料懸臂梁的空腔內注入電流變體，通過外加電場改變電流變體的狀態，從而實時控制梁的剛度、阻尼,實現了對結構整體振動的主動控制。

2.6 用于醫藥方面

智能材料可以帶給病患更好的醫療體驗和醫療效果。如利用形狀記憶合金絲治療肺血栓和連接斷骨,矯正骨骼畸形等；又如智能醫用膠帶，不僅能加快傷口愈合，防止感染，并能在傷口愈合后自動脫落，使病人無痛苦；由機敏材料制造的藥物送進系統可以像潛水員一樣進入人的體內,監測人體生理變化；由機敏材料制造的人造器官如人工胰臟、肝、胃等可代替人體器官。如人造胰臟可以連續觀測病人的血糖水平，并準時定量地釋放胰島素。

2.7 用于紡織方面

目前,對高度刺激智能響應的纖維和紡織品的研究和開發已引起人們極大的關注。智能紡織品顯示出至少一種獨特而有價值，對外界刺激能夠進行智能響應的性能。一些智能紡織品僅具有對外界刺激感知的能力,如光導纖維和導電織物;另一些智能紡織品具有墩外界刺激感知和反應的能力，如形狀記憶紡織品、變色紡織品、防水透濕紡織品、蓄熱調溫紡織品、吸濕放熱紡織品等。

2.8 用于透明材料

智能玻璃是一種新型的智能材料,它的光學特性可以根據入射光線的波長和強度而改變。例如在熱天，可以濾掉熱輻射，但又能通過可見光；在冷天能夠防止熱損耗，使室內保溫。

3 結語

目前，世界上許多國家都已開展對智能材料的研究，其發展將全面提高材料的設計和應用水平。智能材料涉及的領域非常廣泛，它是一種軍民兩用技術，不但在宇航及國防工業，而且在民用方面，如土木建筑、交通、水利、醫學、海洋捕魚等行業也有著極為廣泛的應用前景。智能材料的應用還能節省資源、減少污染等，其經濟效益和社會效益是巨大的。