智能材料的研究应用及发展趋势

韩 铭

河南建筑材料研究设计院有限责任公司（450002）

智能材料的研究应用及发展趋势

韩 铭

河南建筑材料研究设计院有限责任公司（450002）

介绍了智能材料的种类及国内外关于智能材料的研究现状，并对智能材料的研究方向和发展应用趋势进行了论述。

智能材料；应用；发展趋势

0 引言

材料是人类生活和生产的基础,一般将其划分为结构材料和功能材料两大类。对结构材料主要要求的是其机械强度；而对功能材料则侧重于其特有的功能。智能材料不同于传统的结构材料和功能材料，它模糊了两者之间的界限，并加上了信息科学的内容，实现了结构功能化、功能智能化。由智能材料组成的智能结构具备传感、驱动和控制三个基本要素，能通过自身的感知，做出判断，发出指令，并执行和完成动作，实现自检测、自诊断、自监控、自校正自修复及自适应等多种功能。当前，科学技术的发展对材料性能的要求越来越高,材料智能化的概念已极大地影响着人们在材料设计、制造和应用过程中的思维方式，光导纤维传感技术、微电子学技术、自组装材料制备技术以及其他相关技术的发展又给智能材料与结构的研究提供了新的研究手段、打开了更大的想象空间。目前国际上有关智能材料与结构的研究非常活跃，每年都要召开与之相关的学术会议，新设想、新成果不断出现。

1 智能材料的研究现状

智能材料发展随着科技、航天技术、智能化建筑等要求的提高，近年来正不断快速进步。自1985年起，美国政府提出了开展智能材料的研究计划,要求航天飞行器具有自适应性能。1987年，此项目列入美国空军科研项目。1990年，四大学会(ADDA、AIAA、ASME、SPIE)联合举办了主动材料和自适应材料技术交流会。同年，美国举行了美日联合第一届自适应结构学术交流会。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，此后的资助强度不断加大。国内已有一批研究单位在该领域的研究达到国际先进水平。

1.1 压电智能材料

压电效应是指在材料上施加机械力应力时,材料的某些表面会产生电荷，这种现象被称为正压电效应;与此相对应，如对材料的某些表面施加电场，则材料会产生几何变形，此现象被称为逆压电效应。压电智能材料包括压电陶瓷、压电聚合物和压电复合材料等。

压电陶瓷的优点是可通过调节组分改变材料的性能，而且其耐热，耐湿和化学稳定性好等。目前应用最广泛的压电陶瓷有钛酸钡、钛酸铅、锆钛酸铅(PZT)和锆钛酸铅镧(PLZT)。其中，PZT具有较高的居里温度、高介电常数、高机电耦合系数，其研究和应用一直十分活跃。

压电聚合物智能材料，如聚氟乙烯(PVDFP或VDF2)，突出的优点是具有低的声阻抗和介电常数,柔软性好，耐击穿。美国佛罗里达大学制成了压电聚合物传感器,用以识别盲文书信和不同级别的砂纸，具有接近100%的准确性，在勘探和目标识别中大有前途。目前，压电材料已成功应用于各种光跟踪系统、自适应光学系统、机器人位移定位器、磁头、喷墨打印机和扬声器等高科技领域。

1.2 形状记忆智能材料

在高温下处理成一定形状的金属急冷下来，在低温状态下经塑性变形为另一种形状，当再加热至高温稳定状态时，材料通过马氏体相变恢复到低温塑性变形前的形状，这就是形状记忆效应。著名的形状记忆合金有镍钛合金、InTl、CuAl、NiAl、AgZn和AgZd等。形状记忆合金冷却时呈橡皮状，加热时很像不锈钢。它最初用于拉曼F14战斗机中液压管接头密封，防止高压液泄露。

现在，美国已制造出用形状记忆合金作为致动器的树脂基复合材料夹心结构的“柔性机翼”；该机翼可在各种飞行速度下始终自动保持最佳翼型，大幅度提高飞行效率，可对出现的危险振动自行抑制。形状记忆合金随温度变化而改变其弹性模量，可以作为力学执行器和刚性执行器，控制运动和形状。日本人制成了一种形状记忆合金，通过对合金加热收缩来防止裂纹的扩展,用于防止地震等造成的桥梁或大型建筑物的建筑、土木结构的突发性破坏。美国人在建筑物的合成梁中埋植形状记忆合金纤维，在热电控制下，能像人的肌肉纤维一样产生形状和张力的变化,从而根据建筑物受到的振动改变梁固有刚性和固有振动频率，减小振幅，使框架结构的寿命大大延长。形状记忆合金在自动探测和主动控制等方面，也取得了很大的进展。

1.3 光纤智能材料

早在1991年美国就提出智能构件 “健康”监控系统(SHMS)，其中的传感材料就是光纤。人们最初关心的是光纤维材料的埋入,是否会引起材料层间断裂韧性的下降或基体材料的损伤。后来的实验表明，对环氧复合材料埋入光纤，并没有降低拉伸强度和压缩强度,也没有引起层间断裂韧性的降低。

目前,人们使用光纤已制作成各种埋入式复合材料传感器，其作用有:①监测复合材料加工制造过程，随时报告加工过程中出现的缺陷；②监测飞行器结构所处的状态，随时报告疲劳和温度等情况;③利用光纤传感器和神经网络处理器对结构进行在线综合评估。加拿大多伦多大学和波音公司建立了世界上首架含有光纤的机翼前缘损伤评估系统原型。冲击过载实验表明，埋入光纤进行损伤评估是可行的，并解决了埋入光纤的处理和铺层分布、多传感器的结构和多路传输、传感器信号的再生和结构间连接等问题。

1.4 电流变体智能材料

电流变体是由微米尺寸颗粒悬浮于绝缘体中形成的悬浮液。在外电场作用下，电流变体可以在液态和固态之间作快速、可逆、可控的变化。即在外电场作用下，电流变体在极短的时间内其表观粘度增加几个数量级,从流动的液体变成凝胶状的固体；电场撤去后，又可以瞬间恢复流动状态。电流变体的主要特点是响应速度快，缺点在于转变电压太高，性能易受外界影响。

电流变体材料要求有良好的颗粒/载液组合以及长期稳定性和使用重复性。它一般由分散相、分散介质和添加剂组成。分散相多为直径在微米级的多孔疏松颗粒，可以是无机物(如硅酸铝、二氧化硅等)或有机物(聚甲基丙烯酸盐、酚醛树脂、羧甲基纤维素等)；可以是单相颗粒，也可以是复相颗粒(如包有聚合物壳的导电颗粒等)。分散介质为导电性较差的液体，如硅油、矿物油、卤代烃等。加入到电流变体中的添加剂主要有两类：稳定剂和活化剂。稳定剂通常为表面活性剂或高分子化合物。活性剂主要是一些极性物质 (如水、乙醇、乙二醇等)或离子型化合物(如 KCl、NaNO2、NaCl等)，加入后可明显提高电流变体的电流变效应。目前，电流变体在基础理论、材料研究及工程应用方面已取得一定的发展。美国波音公司应用电流变阀门进行飞机自动喷漆,得到大面积彩色图案。电流变体还可用于无级可调、容易控制、响应速度高的离合器。近来美国能源部对电流变体进行了评估，肯定了这种材料在自动设备、通用机械、液压和交通等领域的重要应用。

2 智能材料的应用前景及发展趋势

2.1 用于航空航天方面

1）直升飞机旋翼轮叶:最早引起社会兴趣和工业界重视的智能材料结构是美国人研制的具有减振效果和诊断功能的“智能材料机翼”，在飞机的机翼部件中，埋入光导纤维等内应力传感器,这些传感器系统能将飞机机翼各个部分的重力情况及时告知信息处理中心,进而反馈信号，使机翼及时平衡和抵消多余的振动,而执行减振驱动指令的则是形状记忆合金及其网络。

2）智能蒙皮:不仅是飞机,其它飞行器如火箭、卫星，还有潜水艇等的表皮都应有随外界条件变化而变化以及探测周围环境的能力，具有这样功能的表皮(蒙皮)称为智能(或机敏)表皮(蒙皮)。未来飞机蒙皮不仅起机翼作用，它还可以检测飞行速度、温度、湿度等各种气象条件，并能对变化的环境做出反应，如改变机翼形状等。另一功能是适合于当前的电子战，即具有识别、人为干扰、屏蔽通讯、威胁警告的电子保障系统。对于材料内部的缺陷和损伤，智能表层能进行自诊断、自修复、自适应，还能抑制噪声和振动；对于航空航天飞行器座舱能够自动通风、保暖和冷却。

3）翼面的气动弹性设计:如果在翼面中埋入传感元件和驱动元件，利用驱动元件改变机翼翼面下表面的曲度，就可使机翼具有足够的升力而不增大阻力。也可以利用驱动元件改变机翼前缘和后缘的角度等,传感元件监测动作的情况和程度，以达到自适应气动弹性控制。

4）能够实现精确控制的智能结构:如空间站的天线，在地面上是收拢的，到高空缓慢地展开，尺寸很大又细长，形状和方向精度要求很高，在空间无重力、无阻尼作用下，必须采用能实现主动控制振动和形状的智能桁架结构。通过在天线反射面边界上布置一批驱动器和测量表面误差的传感器，在天线内布设控制驱动器的编码器和控制电路。当传感器测出表面误差不符合要求时由控制电路通过编码器激活驱动器，实现自适应控制。

5）飞行状态的监测:为了保证飞行安全，无论是民用还是军用飞机都必须随时监测，甚至离开服役现场大修检测。飞机结构中埋入传感器，可与人工智能、信号处理器和适当的计算机硬件一起,连续及时地评价飞机结构的状态和完整性，以防止发生突发性灾难。在军舰方面也需要智能表层，它能调整军舰的外壳特性，减少和改变舰上发出的声音，使敌方声纳检测不到本舰的声讯号;同时可以将军舰表皮模仿海豚的皮肤，减少阻力，也要求表层材料本身能够做到自诊断、自适应、自修复。

2.2 用于土木建筑及混凝土方面

智能结构在土木建筑及混凝土方面具有很好的应用前景，目前主要集中在高层建筑、桥梁、水坝等方面。大型混凝土结构的安全性诊断，是国内外智能材料系统研究的重点之一。日本东京大学柳田博明等人将碳素纤维和玻璃纤维组合，埋入混凝土中，以检测混凝土的应力状态和形变量。两种纤维在电学性能及力学性能方面的互补性,使纤维在增加强度的同时,还能通过纤维电阻的变化分析出混凝土中的受力状态、形变程度和破坏情况，起到诊断裂纹和警报损伤甚至预测服役寿命的作用。他们已经把这种纤维增强的混凝土智能材料成功地应用于银行等重要结构设施的防盗报警墙体。在钢筋混凝土结构中埋入传感器，并组成网络，就可以实时监测结构的完整性和性能,并能进行通讯和设备控制。

对于承受循环应力的材料，尤其是运载工具，会由于疲劳而发生破坏。智能结构可在裂纹萌生后，由传感器指示裂纹位置，并指挥相应的驱动器动作,使裂纹尖端形成压应力，防止裂纹继续扩展。

1）光纤传感器在混凝土固化监测中的应用:为了解决温湿度变化引起温度梯度以及水化热产生温差引起内应力的问题，可利用埋入式光纤传感器对大型混凝土结构进行内温监测。混凝土的抗拉强度仅为抗压强度的1/10，因此在结构的受拉区加入钢筋。通常将光纤传感器埋入未固化的混凝土时，除要求光纤界面和水泥之间有良好的结合，还要求光纤在可塑材料填充和机械振动时不受损伤及在高度碱性水泥糊剂环境中具有化学耐久性。

2）在混凝土砖及大坝上的应用:工程结构的过量位移或变形会导致结构失稳并造成破坏。运用光纤技术可以实现大坝结构的连续可靠的监测。光纤位移极限信号装置DLS可用于检测大坝缝隙变化,光纤应变计可以用于缝隙或不透水沥青混凝土水坝状态变化的长期监测,环形光纤传感器分为两路，分别连接坝体的两边，用一特别的材料封装在大坝混凝土中心。当应变计用力锁定模式安装时，径向变化可引起传感器传输性质的变化。

3）在房屋建筑中的应用:①建筑系统和辅助设施的管理和控制，埋入通讯光纤可进行通信和办公自动化；光纤传感器可控制加热、空调、下水道设备、电力、照明、电梯、火警及出入控制，还可测量压力、水管流量、温度，控制温度、电动阀门、水泵、锅炉等。②结构监测和损伤评估:对于承载很大又很重要的构件，可以在钢筋混凝土制作时埋入光纤阵列，通过微型计算机及神经网络判断缺陷的位置。由于水泥抗拉伸性较差，通常将光纤安装在水泥受拉伸处，检测水泥是否出现裂缝。高层建筑的基桩完整性检查也是一个大问题，若在基桩中埋入偏振型或分布式光纤传感器,则可以直接判断基桩是否出现破坏。将碳纤维加入混凝土中，则可形成智能混凝土，不存在埋入问题和相容性问题。目前的研究表明将碳纤维材料作为导电材料加入到水泥浆中,当纤维用量合适且制备工艺合适时,硬化电阻的特性会随外界的压力变化而变化，也即对应力敏感，利用这一特性，这种材料不仅可用作结构材料而且可用作智能材料，用于结构监测和损伤评估。③试验应力分析:利用埋入光纤测量混凝土的强度、弹性及位移等，在此基础上设计结构，将使结构设计更经济和安全。例如将光纤阵列埋在机场跑道上，可以测得飞机起飞着陆时跑道上的应力状态，得到二维应变图，有利于跑道再设计和对跑道的维修。用纤维压缩法确定混凝土弹性模量及现场进行对比试验，在距离表面几厘米处埋入绞和光纤，借助于安装在混凝土表面上的手摇螺旋器把压力施加给纤维，当施加的压力增大时，绞合光纤的曲率增大，光纤管检测到的光通量增加，一定压力下，混凝土的强度和模量与光通量有关。在混凝土中埋入单模偏振型光纤传感器，混凝土受载荷时光面产生旋转，由光敏管检测出旋转情况，即可得到混凝土的强度和模量。

4）智能自修复混凝土:可采取定期检测并触发其自修复功能(如用电激发等)的方法，也可结合太阳能混凝土研究，混凝土中置入太阳能转换机制，当出现裂纹时，转换机制动作，直接触发或通过另外的机制触发自修复作用(打破原子微区反应的壁垒—包囊等)；植入纤维或形成电解质(或绝缘物质)薄膜包裹，出现裂纹后电性能发生变化，然后通过某种机制触发原子微区反应。技术原理为:①原子微区反应导致自修复作用；②裂纹应力触发自修复作用；③断裂表面能增加触发自修复作用;④新鲜表面的氧化作用和吸附作用触发自修复作用;⑤裂纹产生前后的温湿度变化触发自修复作用；⑥混凝土本征结构破坏触发自修复作用；⑦周期性自检触发自修复作用；⑧其它机理导致自修复作用。

2.3 用于机器人

形状记忆合金(SMA)能够感知温度或位移的变化，可将热能转换为机械能。如果控制加热或冷却，可获得重复性很好的驱动动作。用SMA制作的热机械动作元件具有独特的优点，如结构简单、体积小巧、成本低廉、控制方便等。近年来，随着形状记忆合金逐渐进入工业化生产应用阶段，SMA在机器人中的应用（如在元件控制、触觉传感器、机器人手足和筋骨动作部分的应用）十分引人注目。

2.4 金属材料自愈合

中科院沈阳金属所的研究发现，用强脉冲的方法，对金属材料进行断续通电处理，能愈合材料内部的一些裂纹和缺陷，使金属达到自愈合的效果。西北工业大学的研究表明，将内部充填有粘稠物质的空心管状物埋入无机材料中，能使无机材料达到裂纹自愈合的效果。

2.5 控制振动和噪声

智能材料系统最成熟的应用之一是主动结构声控。例如，飞机壳体的振动来自飞机发动机。具体控制方法是由机敏材料(形状记忆合金纤维、压电陶瓷等)做成诱发应变调节器(Induced strain actuators)，把它分布在振动结构中。它以低频作用一个力在结构上,抵消那些能够向外辐射的声振动模式，从而控制低频噪声，而不是采用让整个结构停止振动的方法。

诱发应变调节器另一作用是改善材料的疲劳寿命。据报道，美国弗尼吉亚州立大学和工学院(Virginia Tech)在实验室使用压电陶瓷调节器抵抗高应力集中处的应变，使零件的疲劳寿命延长一个数量级。这是目前使用智能材料系统研究解决结构疲劳的具体尝试。在智能材料与结构中，传感元件对结构的振动进行监测,驱动元件在微电子系统的控制下准确地动作，以改变结构的振动状态，这样就出现了具有振动和噪声主动控制功能的智能结构。应用形状记忆合金可设计出具有减振降噪功能的智能结构。1988年6月，美国密执安州立大学复合材料与结构中心实验室的M.V.Gandhi等人首次公布了将电流变体与复合材料相结合的智能复合材料的研究结果。他们在复合材料悬臂梁的空腔内注入电流变体，通过外加电场改变电流变体的状态，从而实时控制梁的刚度、阻尼,实现了对结构整体振动的主动控制。

2.6 用于医药方面

智能材料可以带给病患更好的医疗体验和医疗效果。如利用形状记忆合金丝治疗肺血栓和连接断骨,矫正骨骼畸形等；又如智能医用胶带，不仅能加快伤口愈合，防止感染，并能在伤口愈合后自动脱落，使病人无痛苦；由机敏材料制造的药物送进系统可以像潜水员一样进入人的体内,监测人体生理变化；由机敏材料制造的人造器官如人工胰脏、肝、胃等可代替人体器官。如人造胰脏可以连续观测病人的血糖水平，并准时定量地释放胰岛素。

2.7 用于纺织方面

目前,对高度刺激智能响应的纤维和纺织品的研究和开发已引起人们极大的关注。智能纺织品显示出至少一种独特而有价值，对外界刺激能够进行智能响应的性能。一些智能纺织品仅具有对外界刺激感知的能力,如光导纤维和导电织物;另一些智能纺织品具有墩外界刺激感知和反应的能力，如形状记忆纺织品、变色纺织品、防水透湿纺织品、蓄热调温纺织品、吸湿放热纺织品等。

2.8 用于透明材料

智能玻璃是一种新型的智能材料,它的光学特性可以根据入射光线的波长和强度而改变。例如在热天，可以滤掉热辐射，但又能通过可见光；在冷天能够防止热损耗，使室内保温。

3 结语

目前，世界上许多国家都已开展对智能材料的研究，其发展将全面提高材料的设计和应用水平。智能材料涉及的领域非常广泛，它是一种军民两用技术，不但在宇航及国防工业，而且在民用方面，如土木建筑、交通、水利、医学、海洋捕鱼等行业也有着极为广泛的应用前景。智能材料的应用还能节省资源、减少污染等，其经济效益和社会效益是巨大的。