智能材料的結構和性能綜述

付永晟

河北恒工機械裝備科技有限公司 河北邯鄲 056000

智能材料是一種新型的材料技術。我國經濟和科學技術不斷發展的過程中，對智能材料的研究也越來越深入。智能材料具有感知功能、信息處理功能以及執行功能。此類智能材料可以在周圍環境的變化下，調整自身結構，以便適應周圍環境的變化。

1 智能材料結構

1.1 按照生產方式來劃分

智能材料按照不同的生產方式可以分為不同的結構類型。比如按照生產方式的不同可分為人工智能材料和天然智能材料。所謂的天然智能材料主要是指人和動物的皮膚、肌肉、骨骼、臟器等。所謂的人工智能材料主要是指人為制造生產出來的智能材料，它是科學技術不斷發展的產物，凝結了人類的智慧和勞動成果。因此人工智能材料也可以叫做生物擬態材料。

1.2 按照驅動方式來劃分

智能材料按照不同的驅動方式可以分為不同的結構類型。如嵌入式智能材料和被動式智能材料。嵌入式智能材料也成為主動式智能材料。嵌入式智能材料主要是在原材料的基礎上將傳感功能、動作功能以及執行功能等埋入其中。在傳感元件的作用下，感知周圍信息，促使自身結構發生變化，以便可以適應周圍環境的變化要求。其嵌入式智能材料功能實現的流程如下。首先依靠傳感器收集周圍信息，再借助反饋系統整合外界信息，調整結構本身，以適應周圍環境的變化。如，變色太陽鏡、自濾波玻璃等都屬于嵌入式智能材料[1]。

1.3 按照材料基質不同來劃分

按照材料基質的不同可分為以下幾種。金屬系智能材料、無機非金屬系智能材料、高分子系智能材料。利用金屬系智能材料判斷材料自身的使用壽命，并對今后出現的異常問題進行提前預告。在陶瓷制造業中，將金屬性智能材料埋入另一種物質內部，可以在應力、相變等作用下修復自身存在的裂紋。或者自動將自身的成分析出來實現填充修復作用。日本等發達國家在對金屬系智能材料的研究過程中發現，利用顏色、聲音以及電信號等可以判斷材料在使用過程中是否出現了損傷和性能減退的問題，問題一旦識別出來可以激活自我修復功能。無機非金屬智能材料被應用在陶瓷制造業中，可以依靠智能化材料向外作功、發射聲波輻射電磁波和熱能，這樣可以將化學反應速度加快，及時針對外界環境做出調整。高分子系智能材料是不基質下智能材料的一種。高分子凝膠材料屬于一種是三維網絡，分析該材料的結構與生物體組織較為相似。高分子系智能材料可以在不容的溶劑種類、鹽濃度、pH值、溫度下，受不同電刺激和光輻照的影響，在體積上發生變化。高分子系智能材料體積在變化的過程中，主要是立足與分子水平、高分子水平、大分子間水平之間相互刺激而發生的響應。在生物醫用材料的研究領域采用高分子系智能材料有較好的使用前景。舉例來說，將高分子系智能材料制成藥物釋放體系（DDS）載體材料，臨床上使用此種材料可以根據病灶自身引起的化學反應、物理量信號的變化。在自反饋系統的參與下控制藥物釋放的通斷特性。比如，患者在血糖濃度上升的情況下可以促使胰島素釋放體系響應，激活此體系將血糖維持在一定水平[2]。

2 智能材料性能

2.1 感知、反饋及執行功能

感知、反饋和執行功能是智能材料最基本的功能。智能材料中的傳感器主要對周圍環境的變化進行感知，將存在與周圍環境中難以測量的物理量X轉化為便于測量的Y。在電學量的輔助下對周圍環境進行感知。智能材料的執行器包括多種類型，根據驅動信號Z將相應的動作指令W輸出是執行器的主要作用。執行器在功能結構上存在較大的復雜性。提高陶瓷機敏性的關鍵離不開反饋系統，該系統主要針對傳感器輸出的Y信號進行處理加工，賦予材料不同特性。執行器在將驅動信號輸出的基礎上，智能材料可以利用其中的控制執行器完成人們規定進行的動作指令。利用反饋系統可以甄別虛假信號，同時避免出現虛假信號的干擾。在處理輸出信號時需要進行放大處理，將其處理后的數據可滿足反饋函數的需求。在陶瓷制造技術中，伴隨科學技術的不斷發展，陶瓷集成和硅集成技術有了顯著發展。此種集成技術可以將傳感器、反饋系統以及執行系統的功能集成在同一個單元，優化材料性能。

2.2 信息處理功能

智能材料智能化的體現離不開信息處理功能。依靠智能材料的信息處理功能可以將材料的結構變得更加合理。其中演繹能力、歸納能力以及決策能力是智能材料在處理信息時不可缺少的技術手段。其中模數識別法是智能材料結構的信息處理中非常重要的技術手段，可分為統計決策法、邏輯推理法、非數值特征值法等[3]。

2.3 驅動元件和傳感元件

智能材料功能的實現需要經過以下環節。首先，對外界參數進行識別，在識別參數的基礎上，制定行動計劃。行動計劃的實現離不開智能材料找那個埋入的驅動件。驅動件可以在調節自身結構的基礎上適用多種環境的變化，如改變自身的結構形態、固有頻率、位置、阻尼、剛度、摩擦阻力等。其中常見的驅動元件主要有形狀記憶合金、電流變體、壓電元件、形狀記憶聚合物等。感知功能是智能材料重要的性能之一。所謂的感知功能就是感覺能力。智能材料發揮感知功能的前提離不開埋入智能材料當中的傳感元件。智能材料中的傳感元件可以將外界的各種信息進行收集，在整合分析的基礎上，利用信息資料控制驅動元件。為了提高智能材料的感覺功能，可以將不同的傳感元件埋入進去，如光導纖維、壓電薄膜、電阻應變絲、碳纖維、半導體等[4]。

3 結語

綜上所述，智能材料在科學技術不斷發展的過程中，種類和功能越來越多。以上是筆者對智能材料的結構和性能進行的有關分析。相信在今后的發展中智能材料可以在更多的領域被應用，智能化是人類文明今后發展的主要趨勢。