智能材料的應(yīng)用與進(jìn)展

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1、智能材料的應(yīng)用與進(jìn)展材料是人類(lèi)生活和生產(chǎn)的基礎(chǔ)一般將其劃分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料兩大類(lèi)對(duì)結(jié)構(gòu)材料主要要求的是其機(jī)械強(qiáng)度而對(duì)功能材料則側(cè)巢于其特宥的功能。鉀能材料不同與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)材料和功能材料它模糊了兩者之間的界限，并加上了信息科學(xué)的內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)丫結(jié)構(gòu)功能化、功能智能化，由智能材料組成的智能結(jié)構(gòu)具備傳感驅(qū)動(dòng)和控制三個(gè)蕋本耍素，能通過(guò)tl身的感知，做fli判斷，發(fā)出指令，并執(zhí)行和完成動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)白檢測(cè)、自診斷、自監(jiān)控、自校正、自修復(fù)及自適應(yīng)等多種功能［1~5］。當(dāng)前科學(xué)技術(shù)的發(fā)展對(duì)材料性能的要求越來(lái)越高。木文將對(duì)智能材料的設(shè)計(jì)原理

2、和其中兒類(lèi)智能材料的發(fā)展?fàn)顩r及其應(yīng)用情況作概括介紹。1、智能材料設(shè)計(jì)原理智能材料的設(shè)計(jì)思想來(lái)tl于下列因素：（1）材料的開(kāi)發(fā)歷史，結(jié)構(gòu)材料功能材料—智能材料：（2）人工智能計(jì)算機(jī)對(duì)材料性能的新要求；（3）從材料沒(méi)計(jì)的角度考慮智能材料的制造；（4）軟件功能引入材料；對(duì)材料的期望：（3）能量的傳遞：（2）材料其有時(shí)間軸的觀點(diǎn)，即仿照生物體的功能［3］。隨著信息科學(xué)的迅速發(fā)展，ft動(dòng)裝置不僅用于機(jī)器人和計(jì)算機(jī)等人工機(jī)械，更可用于能條件反射的生物機(jī)械。此自動(dòng)裝置能依裾過(guò)去的輸入信號(hào)（信息），產(chǎn)生輸出信號(hào)（信息）。過(guò)去輸入的信息則

3、作為內(nèi)部狀態(tài)存儲(chǔ)丁?系統(tǒng)內(nèi)。因此，自動(dòng)裝界由輸入、內(nèi)部狀態(tài)、輸出三部分組成。智能材料與自動(dòng)裝H的概念相似，可控制材料內(nèi)部狀態(tài)系數(shù)、狀態(tài)轉(zhuǎn)變系數(shù)和輸出系數(shù)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)材料的智能化。對(duì)于陶資，就是涉及材料組成、結(jié)構(gòu)與功能性的關(guān)系。陶瓷一般是微小晶粒的多晶聚犯體，可添加微量的第二組分控制其特性。該第二組分的本體和微晶界的性能均影響材料特性。為使陶瓷具宥高功能進(jìn)而達(dá)到智能化，應(yīng)使材料處于非平衡態(tài)、擬平衡態(tài)和亞穩(wěn)定狀態(tài)。用現(xiàn)冇材料組合，并引入多重功能，特別是軟件功能，可以得到智能材料。由于智能材料具冇傳感、處理和執(zhí)行功能，其研制即

4、是將此類(lèi)軟件功能（信息）引入材料，將多種軟件功能寓于幾納米到數(shù)十納米厚的不同層次結(jié)構(gòu)，使材料智能化。此吋材料的性能不僅與其組成、結(jié)構(gòu)、形態(tài)有關(guān)，同吋也是環(huán)境的函數(shù)［3］。智能材料組元的選擇冇敏感材料和功能材料兩大類(lèi)。敏感材料包括壓電材料、磁致伸縮材料、形狀記憶材料、電（磁）致粘流體、液晶材料、PH控伸縮紂料等：功能材料包括磁性材料、超導(dǎo)材料、導(dǎo)電材料、半導(dǎo)體材料等。材料復(fù)合的形式可分為嵌入式和積層式兩人類(lèi)。嵌入的材料包拈顆粒、短纖維材料等，而積層式則指功能、敏感以及結(jié)構(gòu)材料的多層復(fù)合。材料智能化的兒條典型途徑：壓電材料+

5、電熱材料一壓熱材料（限尼材料］:壓電材料+電致變色材料壓致變色材料［示瞥材料］;光電材料+電致變色材料一光致變色材料［智能玻璃］致伸縮材料+壓電材料一PH致電紂料［生體材料］［2］。2、智能材料發(fā)展現(xiàn)狀隨著太空通訊、觀測(cè)等要求的提?、航天飛行器的虞景越來(lái)越大。為減輕重量，降低發(fā)射成本，必須采用新的材料設(shè)計(jì)方法。自198:年起，美國(guó)政府提出丫開(kāi)展智能材料的研宄計(jì)劃，要求航天飛行器具冇自適應(yīng)性能。1982年，此項(xiàng)目列入美國(guó)空軍科研項(xiàng)目［8］。1990年，四大學(xué)會(huì)（ADAA、AIAA、AS%6、SPI6）聯(lián)合舉辦廣主動(dòng)材料和自

6、適應(yīng)材料技術(shù)交流會(huì)，同年，美國(guó)舉行了美日聯(lián)合第一屆自適應(yīng)結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)交流會(huì)。近年來(lái)，凼際上關(guān)于智能材料的研究和學(xué)術(shù)活動(dòng)十分活躍；我H對(duì)這一新興學(xué)科的研宄也十分熏視，國(guó)家閂然科學(xué)基金、航空基金等從1993年起每年都將鉀能材料列入研允計(jì)劃項(xiàng)目，此后的資助強(qiáng)度不斷加大。國(guó)內(nèi)已冇一批研究單位在該領(lǐng)域的研究達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。2、1壓電智能材料壓電效應(yīng)是指在材料上施加機(jī)械力應(yīng)力吋，材料的某些農(nóng)而會(huì)產(chǎn)生電荷，這種現(xiàn)象被稱為正壓電效應(yīng);與此相對(duì)應(yīng)，如對(duì)材料的某些表面施加電場(chǎng)，則材料會(huì)產(chǎn)生幾何變形，此現(xiàn)象被稱為逆壓電效應(yīng)［9］。壓電智能材料包

7、拈壓電陶瓷、壓電聚合物和壓電復(fù)合材料等。壓電陶瓷的優(yōu)點(diǎn)是可通過(guò)凋節(jié)組分改變材料的性能，而且萁耐熱，耐濕和化學(xué)穩(wěn)定性好等。目前應(yīng)用敁廣泛的灰電陶瓷宥鈦酸鋇、鈦酸鉛、鋯鈦酸鉛和鋯鈦酸鉛鑭。其屮鋯鈦酸鉛具宥較高的居里溫度、高介電常數(shù)、高機(jī)電耦合系數(shù)，其研宄和應(yīng)用一直十分活躍。國(guó)內(nèi)外對(duì)壓電陶瓷及其復(fù)合智能材料的應(yīng)用研宄主要集中在兩個(gè)力面:結(jié)構(gòu)的聲和振動(dòng)主動(dòng)控制與結(jié)構(gòu)形狀的自適應(yīng)控制［10］。1991年，弗吉尼亞工學(xué)院研制出了壓電陶資結(jié)構(gòu)盧主動(dòng)控制系統(tǒng)（ASAC）。美國(guó)某公司利用ASAC裝置，采用聲誤差傳感，把110dB聲源的聲強(qiáng)

8、降低了29dB,聲強(qiáng)和聲功率降低了廣8.5dB。美閩賓州大學(xué)利用含宥壓電層的主動(dòng)聲摶系統(tǒng)使5'lkHz頻率的回聲降低了35dB。H前，ASAC裝置屮的壓電驅(qū)動(dòng)器在美國(guó)已經(jīng)商品化。壓電陶瓷既具冇傳感功能又易于改性，并易于與其它材料兼容，因此可以和其它材料復(fù)合制成￡1適應(yīng)結(jié)構(gòu)。1991年，美國(guó)使川壓電技術(shù)建立了諧振控制系