智能材料，離我們有多遠

海川

科學家預言，智能材料的研制和大規模應用將是21世紀材料科學發展的重大革命

我們正進入一個神奇的智能化時代，智能手機、智能電視、智能穿戴、智能IC卡、智能交通、智能電網、智能建筑、智能小區、智慧農業、智慧醫療、智慧養老、智慧城市……一系列冠以“智能”或“智慧”的產品和應用越來越多地出現在人們的視野中，給人們的工作、學習和生活提供了快捷、便利和史無前例的智能化體驗。

無論是產品的智能化，還是行業和系統的智能化，其實現都離不開互聯網、物聯網、云計算、大數據等信息技術以及以新材料為支撐的智能器件和智能終端的發展進步。其中，作為新材料當中具有智能化特性的材料，雖然在智能時代具有廣闊的發展前景，并與我們的日常生活息息相關，但由于智能材料是應用產品的基礎材料，而且大多處于技術研發階段，所以并不為外界所關注。

例如，某些太陽鏡的鏡片當中就含有智能材料，這種智能材料能感知周圍的光，并能夠對光的強弱進行判斷。此外，智能材料還應用于手機、電視機、衣物服飾、自動點火煤氣灶、眼鏡架、牙齒矯正、人造骨骼、機器人、彈性電路板、藝術設計、工程建筑、航空航天、國防軍事等各個領域。

請看這些神奇的智能材料應用：人造皮膚，通過“壓電效應”把壓力轉換成電信號，從而讓機器人可以利用這種材料產生觸覺；記憶合金，可應用于各類醫療植入物，在特定的溫度下變化出需要的形狀；柔性顯示屏，這種顯示屏是通過有機發光二極管（OLED）技術制作出來的可變型可彎曲顯示裝置，其具有低功耗性，是一種直接可視的柔性面板。

彈性電路板，由于電路板本身具有彈性，可適應各種形狀的外殼，甚至可以直接嵌入衣服內部，這種彈性材料能實現任意的形狀而不影響開發板本身的性能，給可穿戴設備的開發提供了更多設計上的可能性；LED“刺繡”，利用延展性極強的金屬導體配合LED燈泡，所制成的“布料”可塑性極強，可以把LED的燈光效果“披掛”在不同的形狀的物體表面。無論是在場景裝飾還是服飾設計上，這款“布料”都能為設計師們解決在設計時遇到的大部分問題。

在中國，智能材料已列入《國家中長期科學和技術發展規劃綱要》（2006～2020 年）中，成為國家科技發展重點研究內容之一?！缎虏牧袭a業“十二五”發展規劃》也將智能材料作為前沿新材料予以重視，提出“加強基礎材料研究，開發智能材料與結構制備加工技術，發展形狀記憶合金、應變電阻合金、磁致伸縮材料、智能高分子材料和磁流變液體材料等。

作為現代高技術新材料發展的重要方向之一，智能材料將支撐未來高技術的發展，科學家預言，智能材料的研制和大規模應用將是21世紀材料科學發展的重大革命。

不同尋常的結構與功能

智能材料（Intelligent material），是一種能感知外界環境或內部狀態、并能夠判斷、適當處理且本身可執行的新型功能材料。其構想來源于仿生學，科學家們的目標就是想研制具有類似于生物各種功能的“活”材料，因此智能材料必須具備感知（傳感）、驅動（執行）和控制這三個基本要素。

由于一種材料的功能較單一，難以滿足要求，所以智能材料是一個由多種材料組元通過有機的緊密復合或嚴格的科學組裝而構成的材料系統，使傳統意義下的功能材料和結構材料之間的界線逐漸消失，實現結構功能化、功能多樣化。

智能材料一般由基體材料、傳感材料、驅動材料和信息處理器（控制系統）組成。基體材料是起承載作用的智能材料結構，應選用輕質的材料。高分子材料由于其質輕、耐腐蝕、粘彈性、非線性等特征而成為首選。另外也可選用金屬材料，以強度較高的輕質有色金屬合金為主。

傳感材料是在智能材料中起著傳感作用的結構，主要作用是感知壓力、應力、溫度、電磁場、PH值（酸堿度）等環境的變化。形狀記憶材料、電致變色材料、磁致伸縮材料、光纖材料、壓電材料、電流變體和液晶材料等都是常用的感知材料。

驅動材料是智能材料中起著響應作用的結構，前面提到的形狀記憶材料、壓電材料、磁致伸縮材料和電流變體等傳感材料也都屬于執行材料。信息處理器的主要作用是處理傳感器輸出的信號，是智能材料核心部分。另外還有一些配合特殊性能的其他功能材料，包括導電材料、磁性材料、光纖和半導體材料等。

敏感材料與驅動材料構成機敏材料，即同時具有感知與驅動功能的材料。（如圖1所示）機敏材料自身不具備信息處理和反饋機制，不具備順應環境的自適應性。而智能材料是機敏材料和控制系統相結合的產物，集傳感、控制和驅動三種職能于一身，是傳感材料、驅動材料和控制材料（系統）的有機合成。（如圖2所示）智能材料可通過自身對信息進行感知、處理并將指令反饋給驅動器執行和完成相應的動作，對環境作出靈敏、恰當的反應。

智能材料的獨特結構，決定了其擁有不同尋常的功能和能力。

智能材料的分類及其應用

智能材料可以從不同的角度進行分類，按照材料的組成可分為金屬智能材料、無機非金屬系智能材料和高分子系智能材料3種類型。

金屬智能材料，主要包括由力和溫度控制的形狀記憶合金（SMA）、由磁場控制的磁致伸縮材料，它們都是重要的執行材料。無機非金屬智能材料，主要在壓電陶瓷、電致伸縮陶瓷、電（磁）流變體、光致變色和電致變色材料等方面發展較快。高分子智能材料，由于是人工合成，品種多、范圍廣，所形成的智能材料也極其廣泛，其中主要有形狀記憶高分子、智能凝膠、壓電高分子、藥物控制釋放體系、智能膜等。

下面介紹幾種常見的智能材料及其應用：

1、形狀記憶合金

形狀記憶合金是感知溫度（ 以及力） 而產生形狀改變的一類智能材料。1932年，瑞典人奧蘭德在金鎘合金中首次觀察到“記憶”效應，即合金的形狀被改變之后，一旦加熱到一定的躍變溫度時，它又可以魔術般地變回到原來的形狀，人們把具有這種特殊功能的合金稱為形狀記憶合金。

20世紀60年代，美國海軍軍械研究所的Buehler在研究中發現了鈦鎳（Ti- Ni）合金具有“形狀記憶效應”，并以此為基礎研究了形狀記憶合金。利用這一特性可以制成理想驅動器，因其被加熱至奧氏體溫度時，可自行恢復到原形狀。其通常以細絲狀態用于智能結構，主要適合于低能量要求的低頻和高撞擊應用。

目前形狀記憶材料已經形成了相對較大的一個門類，主要分為：形狀記憶合金、形狀記憶陶瓷、形狀記憶聚合物。其中，鈦鎳記憶合金具有輸出應變與輸出功率大、綜合力學性能高、可加工性好等優點。

形狀記憶合金主要應用于機械工程、醫療器械、航空航天、工程建筑、交通運輸以及日常生活中。日常生活中，利用記憶合金推出了不少新穎別致的商品，如眼鏡架、汽車的外殼等，在現代機器人領域也常常用來制作機器人的夾持器。

2、壓電材料

壓電材料是一種能夠實現電能與機械能相互轉化的機敏材料，壓電材料主要包括無機壓電材料（分為壓電晶體和壓電陶瓷）、有機壓電材料和壓電復合材料3類。居里（Curie）兄弟在對石英晶體的介電現象和晶體對稱性的試驗研究中發現了壓電效應，壓電效應分為正壓電效應和逆壓電效應兩種情況。當機械力作用在其上時，內部正負電荷中心發生相對位移而產生電的極化，就是正壓電效應。

壓電材料能夠實現電能與機械能相互轉化，具有制作簡單、成本低、換能效率高等優點，因而被廣泛應用于熱、光、聲、電子學等領域。隨著壓電材料制備技術的發展， 壓電材料在日常生活、生物工程、軍事、光電信息、能源、高鐵等領域有著廣泛而重要的應用。在日常生活方面，壓電材料的應用相當普遍，例如，手機、電視機、錄像機、自動點火煤氣灶、霧化加濕器、B超、彩超、超聲美容、降脂器、理療儀等。在軍事方面，壓電陶瓷制成的聲吶系統能在水中發聲、接受聲波，也可用于水下、地球物理探測，以及聲波測試、夜視裝置、紅外探測器等方面。此外，還可以利用壓電陶瓷的智能功能控制飛機、潛艇的噪聲。

在生物醫學領域，生物壓電陶瓷主要用于實現生物仿生。例如，聚偏氟乙烯（P V D F）薄膜可用在人體和動物器官的超聲成像測量中，還可用來模擬人體皮膚。在光電信息方面，壓電材料主要可用于聲表面濾波器、光快門、光波導調制器、光顯示和光存儲等，還可以用在機器人和其它智能結構中，對外界產生的信號進行處理、傳輸、儲存。壓電材料也可以適用于高頻和中等行程控制，包括各種光跟蹤系統、自適應光學系統、機器人微定位器、磁頭或噴墨打印器和揚聲器等。

半個多世紀以來，這一巨大的產業一直由一種性能優異的壓電材料——被稱為壓電材料之王的鋯鈦酸鉛（PZT）所統治。但是，由于PZT 含有對人體和環境有害的鉛，歐盟、日本、美國、中國等世界主要國家都在近年相繼立法禁止或限制使用含鉛等有害材料。因此，尋找能夠替代PZT 的無鉛高性能壓電材料已成為世界性的緊迫課題，它關系到一個國家在極大范圍內的經濟和產業影響力。

3、電流變液

電流變液是與磁流變體性能極為相似的混合物。這種材料在常態下是流體，其中自由分布著許多細小可極化懸浮顆粒，當這種流體處于電場或磁場中，在電場或磁場的作用下，其中的懸浮顆粒很快形成鏈狀，從而形成具有一定屈服強度的半固體，這樣的電流變體或磁流變體具有響應快、阻尼大、功耗小的特點。

近年來，電流變液組分不斷改進，電流變液的電流變效應更加明顯，同時與電腦結合，可實現實時控制，使得電流變技術在機械工程、汽車工程、控制工程等領域得到廣泛應用。

在汽車工程方面，根據電流變技術原理，構成液-機耦合的機制，可設計出全新的汽車結構、新穎的汽車轉向系統、減震裝置、制動裝置等。與傳統機械產品相比，具有設計簡化、應用簡便、靈敏度高、噪聲小、壽命長、成本低、易于實現電腦控制的特點，從而在汽車傳動系統實現重大創新，或將進一步引發一場汽車技術革命。

在機械工程方面，電流變流體材料主要用于制作各種力學零件（如無級變速器等）、振動隔離系統（如避振減振裝置等）、研究膠體系統的傳熱和傳質現象以及開發雙管熱交換器和再生熱交換器。在智能控制領域，電流變液可作為便于控制、連續可調的阻尼介質，廣泛用于民用航空、機械工程、控制工程和機器人等領域?；陔娏髯凅w的阻尼器，通過合理控制電流的大小，調節阻尼器的阻尼特性，擴大了阻尼器的適用范圍，改善了阻尼器的減震效果。

4、磁致伸縮材料

磁致伸縮材料能夠在外磁場作用下伸長和縮短，實現電磁能和機械能之間的快速和高效轉化。因此，它是兼有大輸出力和納米級高控制精度的重要智能材料。在航空航天高精度對地觀測、太空望遠鏡等掃描和定位系統的納米級高精度微位移控制、航空航天裝備的高精度主動減振、潛艇高分辨聲納技術以及民用高技術等領域均有重要的應用前景。

國內外智能材料產業規模

1、國內智能材料市場情況

從智能材料發展的政策支持層面來看，《新材料產業“十二五”重點產品目錄》涉及到的重點產品包括銅基形狀記憶合金、鐵基形狀記憶合金、鈦鎳基形狀記憶合金、金屬磁致伸縮材料、稀土磁致伸縮材料、壓電材料、高性能電流變材料及彈性體、形狀記憶高分子聚合物、智能高分子膜等19種基礎材料。

從智能材料的應用需求來看，隨著4G移動通信、移動互聯網、三網融合、下一代互聯網的快速發展，計算機網絡、游戲機、消費電子、可穿戴設備等硬件產品的更新換代和推出，以及國內電子整機產品逐漸采用片式元件設計方案，壓電晶體材料的市場需求將會不斷增長。

從研發智能材料的企業來看，國內上市公司主要有紫光股份、樂普醫療、有研硅股、晨晶電子、無錫惠豐、先鋒新材、安泰科技、時代新材、冠昊生物等，部分公司的智能材料產品已進入實質性產業化階段，并已盈利。

從不同類型的智能材料的應用前景來看，壓電材料幾乎占總市場的50%，涉及壓電材料的企業眾多，現已形成市場規模為每年近百億美元的巨大產業；磁致伸縮材料主要應用于電子行業；鉻電鍍材料主要用于汽車和建筑行業；而形狀記憶合金主要應用在醫療市場；電致伸縮材料目前還處于成本較高、應用前景不明的階段，市場前景不容樂觀。

2、全球智能材料市場情況

從智能材料的市場規模來看，有資料顯示，2010年全球智能材料市場規模在196億美元，2011年近220億美元，2016年將超過400億美元，2011～2016年智能材料市場規模年復合增長率達到12.8%。（如圖3所示）根據地域來看，美國處于領導地位，并且這種優勢還可以保持相當長的時間。亞太地區在智能材料的生產方面保持穩定增長，特別是在生產壓電/電致伸縮材料上居于統治地位。

從不同類型的智能材料的應用來看，智能材料的應用范圍較為廣泛，在醫療、建筑、儀表儀器、自動化、機器人、航空航天、電磁電子設備、各類傳感器、驅動器和顯示器等領域都有應用。智能材料應用領域占比最大的部分為制動器和發動機，2010年的銷售收入接近108億美元，占比55%，到2016年將增至254億美元，占比接近64%，2011～2016年的年復合增長率達到15.4%。傳感器是智能材料的第二大應用領域，2011年的銷售收入接近70億美元，然而智能材料在傳感器中應用的增長率較低，2016年起銷售收入在94億美元，傳感器銷售收入占全部銷售收入的比例將降至23.4%，年復合增長率僅為6%（如圖4所示）。