智能材料在计算机和微电子领域的应用和发展

高春燕

【摘要】 概述智能材料的内涵与结构的基本特性、研究内容及应用前景,并介绍了几种智能材料的结构和研究新进展。

【关键词】 智能材料;结构;新进展

近年来,国际上关于智能材料的研究和学术活动十分活跃,我国对这一新兴学科的研究也十分重视,国家自然科学基金、航空基金等从1993年起每年都将智能材料列入研究计划项目。将对智能材料的设计原理和几类智能材料的发展状况作概括介绍。

一、智能材料及其结构概述

智能材料是模仿生命系统、能感知环境变化并能实时地改变自身的一种或多种性能参数、自身可作出所期望的能与变化后的环境相适应的、自我调整的复合材料或材料的复合。它是同时具有感知功能即信号感受功能(传感器功能)、自己判断并自己作出结论的功能(情报信息处理机功能)和自己指令并自己行动的功能(执行机构功能)的材料(感知、反馈、响应是其三大基本要素)。

智能材料与结构涉及到三个概念:智能材料、智能器件和智能结构。智能材料包括感知材料和驱动材料。感知材料是一类对外界或内部的应力、应变、热、光、电、磁、辐射能和化学量等参量具有感知功能的材料,用它们可以制成各种传感器件;驱动材料则是能对环境条件或内部状态变化作出响应并执行动作的材料,用它们可以制成各种驱动器件。

智能结构则是由材料和器件所构成的,集传感、信号处理、控制和驱动于一体的材料系统或结构体系,它能感知环境或内部参量,进行信息处理,发出指令,执行并完成动作,从而实现自诊断、自修复和自适应等多种功能。智能材料与结构具有敏感特性、传输特性、智能特性和自适应特性这四种最主要的特性以及材料相容性。

二、几种智能材料研究的发展

智能材料的基本组元有:光导纤维、压电材料、电磁流变体、形状记忆合金、磁致伸缩材料、各类半导体敏感材料和高分子智能材料,所有这些都在智能材料和系统中有着广泛的应用。以下介绍几种智能材料研究的新进展:

1.磁致伸缩材料

目前磁致伸缩智能材料的主流是稀土磁致伸缩材料,稀土超磁致伸缩材料是近期才发展起来的一种新型功能材料。这种材料在电磁场的作用下可以产生微变形或声能,也可以将微变形或声能转化为电磁能。对于磁致伸缩智能材料的应用,目前美国位居各国之首,其成功标志在于开发出了一系列用于军事目的的尖端产品,如美国已成功地将其应用于舰艇水下声纳探测系统以及导弹发射控制装置等。

但是我国对磁致伸缩智能材料新产品的开发还处于起步阶段,也已呈现出良好的发展势头。如中国长江水利委员会应用这种材料,开发出了大功率岩体声波探测器,应用于三峡工程和地球物理勘探;辽河油田应用这种材料,开发出了井下物理法采油装量;东北大学和大连理工大学应用这种材料,拟在进给和精密定位方面进行联合开发。

2.磁流变材料

磁流变材料是由悬浮于载体液中的可磁化粒子构成,它是一种新型的智能材料,在建筑结构防震和机械振动控制领域有较大的应用前景。在外加磁场作用下,磁流变装置能产生连续可控的阻尼力对振动系统的振动特性进行控制。由于磁流变阻尼器具有优良的可控阻尼性能,在建筑结构、车辆工程和机械工程中都有重要的应用价值。曾有人预言,在汽车工业上,21世纪将是磁流变液的世纪。

3.压电材料

压电智能材料可以将压强、振动等迅速转变为电信号或将电信号转变为振动信号,也就是说压电材料在外电场的作用下可以产生微小变形,也可以将微小变形转变为电信号。且新一代的压电材料还具有了条件反射和指令分析的能力,其特征和运转方式类似于人的神经系统,可执行类似于大脑的指令。压电材料的这种独特功能,使其在智能材料系统中具有广阔的应用前景。

(1)压电陶瓷驱动器。由于压电陶瓷具有把电能转变为机械能的能力,当应用系统通电给压电陶瓷时,使材料的自发偶极矩发生变化,使材料的尺寸发生改变,这种效应能产生200～300的微应变,据报道,88层的压电陶瓷片做成的驱动器可在20ms内产生50μm的位移,响应速度之快是其它材料所无法比拟的,是高精度、高速驱动器所必须的材料,已应用在各种跟踪系统、自适应光学系统、机器人微定位器、磁头、喷墨打印机和扬声器等。

(2)压电传感器。由于压电材料对于所加应力能产生可测量的电信号,在高智能材料系统中可用做传感器。PVDF压电陶瓷的压电性比石英高3～5倍,压电系数值更高,并且可以做得很薄,可贴在物体表面,非常适合做传感器。在机器人上做触觉传感器可感知温度、压力,采用不同模式可以识别边角、棱等几何特征。同时这种材料具有热释电效应,可用作温度传感器。科学家最近研制成功一种压电晶体,如果将其放入壁纸中,就可以大大减小冰箱或空调机的噪声,给住户创造了一个安静的居住环境。

4.形状记忆合金

一般金属材料受到外力作用后,首先发生弹性变形,达到屈服点,就产生塑性变形,应力消除后留下永久变形。但有些材料,在发生了塑性变形后,经过合适的热过程,能够回复到变形前的形状,这种现象叫做形状记忆效应(SME)。具有形状记忆效应的金属一般是两种以上金属元素组成的合金,称为形状记忆合金(SMA)。目前已开发成功的形状记忆合金有TiNi基形状记忆合金、铜基形状记忆合金、铁基形状记忆合金等。形状记忆合金的具体应用如下:

(1)工业应用。a.利用单程形状记忆效应的单向形状恢复。如管接头、天线、套环等。b.外因性双向记忆恢复。即利用单程形状记忆效应并借助外力随温度升降做反复动作,如热敏元件、机器人、接线柱等。c.内因性双向记忆恢复。即利用双程记忆效应随温度升降做反复动作,如热机、热敏元件等。但这类应用记忆衰减快、可靠性差,不常用。d.超弹性的应用。如弹簧、接线柱、眼镜架等。

(2)医学应用。TiNi合金的生物相容性很好,利用其形状记忆效应和超弹性的医学实例相当多。如血栓过滤器、脊柱矫形棒、牙齿矫形丝、脑动脉瘤夹、接骨板、髓内针、人工关节、避孕器、心脏修补元件、人造肾脏用微型泵等。

5.光纤基础智能材料

光导纤维具有感知和传输双重功能,具有直径小、柔韧性好、质量轻、抗电磁干扰、传输频带宽、可埋入性好、便于波分、时分复用和可进行分布式传感等优点,可用于制作各种传感器,测量温度、压力、位移、应力、应变等多种物理量并具有极高的灵敏度。因此光纤已成为当前智能材料与结构研究中首选的信息传感及传输载体,光纤传感技术则成为智能材料与结构的技术基础之一。

三、未来热点应用

智能材料与结构发展异常迅速,虽然还是一个不成熟的领域,但由于应用迫切,其应用研究与基础研究并行发展。作为一种新技术,它在航空航天、国防军事、建筑、纺织、医学、汽车等部门都有着广阔的发展前景,其未来热点应用主要集中在以下几个方面:

(1)仿生学和航空航天。随着智能材料与结构的发展“,个人航空器”取代汽车已不再是科幻小说。目前已存在可调机翼的飞机,但像生命有机体一样可以伸缩和有反应能力的飞机和航天器将是研究的热点。

(2)智能传感器。随着智能材料和人工智能技术特别是微型计算机技术的迅速发展,智能传感器将在各个高新技术领域得到应用。目前研制的智能材料传感器如光纤传感器、压电传感器、微芯片传感器等在各领域的应用已经取得一定成效,未来的智能材料传感器应具有更强大的功能。如:传感器自身能消除异常值和例外值,提供更全面、更真实的信息;除了自适应和自调节功能外,还有一定的智能算法及自学习功能;可通过数字通信接口而实现网络化和远程控制等。

(3)智能化住宅。智能材料的发展,特别是毫米塑料设想的提出,使智能化住宅的梦想离现实越来越近。可任意改变颜色的墙壁,根据人体需要可随时调节温度的水流,随着季节变化可控温度和湿度的房屋,所有的电器都是触摸式的,永远不会再有触电的危险,地震后房屋可以自动修复……这种理想的智能化住宅将显著提高人们的生活质量。

20世纪是机电学的时代。传感——集成电路——驱动是最典型的机械电子控制系统,但复杂而庞大,形状记忆材料兼有传感和驱动的双重功能,可以实现控制系统的微型化和智能化,如全息机器人、毫米级超微型机械手等。21世纪将成为材料电子学的时代。形状记忆合金的机器人的动作除温度外不受任何环境条件的影响,可望在反应堆、加速器、太空实验室等高技术领域大显身手。

参考文献

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