智能材料的应用与进展.doc

智能材料的应用与进展 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。智能材料不同与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[1~5]。当前科学技术的发展对材料性能的要求越来越高。本文将对智能材料的设计原理和其中几类智能材料的发展状况及其应用情况作概括介绍。 1、智能材料设计原理 智能材料的设计思想来自于下列因素：（1）材料的开发历史，结构材料→功能材料→智能材料；（2）人工智能计算机对材料性能的新要求；（3）从材料设计的角度考虑智能材料的制造；（4）软件功能引入材料；（；）对材料的期望；（3）能量的传递；（2）材料具有时间轴的观点，即仿照生物体的功能[3]。 随着信息科学的迅速发展，自动装置不仅用于机器人和计算机等人工机械，更可用于能条件反射的生物机械。此自动装置能依据过去的输入信号（信息），产生输出信号（信息）。过去输入的信息则作为内部状态存储于系统内。因此，自动装置由输入、内部状态、输出三部分组成。智能材料与自动装置的概念相似，可控制材料内部状态系数、状态转变系数和输出系数的变化来实现材料的智能化。对于陶瓷，就是涉及材料组成、结构与功能性的关系。陶瓷一般是微小晶粒的多晶聚集体，可添加微量的第二组分控制其特性。该第二组分的本体和微晶界的性能均影响材料特性。为使陶瓷具有高功能进而达到智能化，应使材料处于非平衡态、拟平衡态和亚稳定状态。 用现有材料组合，并引入多重功能，特别是软件功能，可以得到智能材料。由于智能材料具有传感、处理和执行功能，其研制即是将此类软件功能（信息）引入材料，将多种软件功能寓于几纳米到数十纳米厚的不同层次结构，使材料智能化。此时材料的性能不仅与其组成、结构、形态有关，同时也是环境的函数[3]。 智能材料组元的选择有敏感材料和功能材料两大类。敏感材料包括压电材料、磁致伸缩材料、形状记忆材料、电（磁）致粘流体、液晶材料、PH控伸缩材料等；功能材料包括磁性材料、超导材料、导电材料、半导体材料等。材料复合的形式可分为嵌入式和积层式两大类。嵌入的材料包括颗粒、短纤维材料等，而积层式则指功能、敏感以及结构材料的多层复合。 材料智能化的几条典型途径：压电材料+电热材料→压热材料（阻尼材料];压电材料+电致变色材料→压致变色材料[示警材料];光电材料+电致变色材料→光致变色材料[智能玻璃];PH致伸缩材料+压电材料→PH致电材料[生体材料][2]。 2、智能材料发展现状 随着太空通讯、观测等要求的提高、航天飞行器的重量越来越大。为减轻重量，降低发射成本，必须采用新的材料设计方法。自198；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。1982年，此项目列入美国空军科研项目[8]。1990年，四大学会（ADAA、AIAA、AS%6、SPI6）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。 2、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[9]。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、锆钛酸铅和锆钛酸铅镧。其中锆钛酸铅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。 国内外对压电陶瓷及其复合智能材料的应用研究主要集中在两个方面:结构的声和振动主动控制与结构形状的自适应控制[10]。1991年，弗吉尼亚工学院研制出了压电陶瓷结构声主动控制系统（ASAC）。美国某公司利用ASAC装置，采用声误差传感，把110dB声源的声强降低了29dB，声强和声功率降低了7~8.5dB。美国宾州大学利用含有压电层的主动声控系统使5~11kHz频率的回声降低了35dB。目前，ASAC装置中的压电驱动器在美国已经商品化。压电陶瓷既具有传感功能又易于改性，并易于与其它材料兼容，因此可以和其它材料复合制成自适应