智能材料综述
机械工程学院09级机电班
姓名：曹瑞珉
学号：200900162010
前言
当初对智能材材料感兴趣是因为这是一个逐渐兴起的和很快会成为主流的材料学分枝,感觉很神奇，和现实差距很大，心中有很多疑问，又觉得这种材料有很大的发展前途，便结合自己听课的内容及网上资料的查阅写下对智能材料的认识。我写这篇综述，一是为了扩展知识面，想要多了解一下有关的知识，二是为了锻炼自己写综述的能力，为以后的工作奠定基础。
概述
智能材料的构想来源于仿生学，它的目标就是想研制出一种材料，使它成为具有类似于生物的各种功能的“活”的材料。因此智能材料必须具备感知、驱动和控制这三个基本要素。但是现有的材料一般比较单一，难以满足智能材料的要求，所以智能材料一般由两种或两种以上的材料复合构成一个智能材料系统。这就使得智能材料的设计、制造、加工和性能结构特征均涉及到了材料学的最前沿领域，使智能材料代表了材料科学的最活跃方面和最先进的发展方向。
纵观材料发展，经历了单一型、复合型和杂化型，进而发展为异种材料间不分界的整体式融合型材料，最近几年兴起的智能材料是受集成电路技术的启迪而构思的三维组件式融合
性材料[图1]。它是通过在原子、分子及其团簇等微观、亚微观水平上进行材料结构设计和控制，赋予材料自感知（传感功能）判断、自结构（处理功能）和自指令（相应功能）等智能性。
由此可知，智能材料不同于以往的传统材料，它模仿生命系统，具有传感、处理和响应功能，而且较机敏材料（只能进行简单线性响应）更近于生命系统，它能根据环境条件的变化程度实现非线性响应已达到最佳适应效果。智能化概念实际上是把信息科学里德软件功能引入到材料、系统和新材料的产生，本文将就有关科学问题进行研讨，以期对这门必将在21世纪大放异彩的智能材料科学的发展有所裨益【1】。
定义
智能材料问世于80 年代末, 关于其定义至今尚无统一的定论。不过, 对以下提法, 学者们似乎不持异议。智能材料是一种能从自身的表层或内部获取关于环境条件及其变化的信息,随后进行判断、处理和作出反应,以改变自身的结构与功能,并使之很好地与外界相协调的具有自适应性的材料系统。或者说,智能材料是指在材料系统或结构中,可将传感、控制和驱动种职能集于一身,通过自身对信息的感知、采集、转换、传输和处理,发出指令,并执行和完成相应的动作,从而赋予材料系统或结构健康自诊断、工况自检测、过程自监控、偏差自校正、损伤自修复与环境自适应等智能功能和生物特征,以达到增强结构安全、减轻构件重量、降低能量消耗和提高整体性能之目的的一种材料系统与结构。
具体来说，智能材料需具备以下内涵：
(1)具有感知功能，能够检测并且可以识别外界(或者内部)的刺激强度，如电，光，热，应力，应变，化学，核辐射等；
(2)具有驱动功能，能够响应外界变化；
(3)能够按照设定的方式选择和控制响应；
(4)反应比较灵敏,及时和恰当；
(5)当外部刺激消除后,能够迅速恢复到原始状态。
发展历史
材料的发展已由石器材料、钢铁材料、合金高分子材料、人工设计材料进入智能材料，即进入第5代材料。智能材料的特点是它的特性可随环境和空间而变化，它是最近几年颇受重视的高技术尖端材料。
目前智能材料正在形成新材料领域的一门新的分支学科，国际上一大批专家学者，包括化学家、物理学家、材料学家、生物学家、计算机专家、海洋工程专家、航空以及其他领域的专家对智能材料这一学科的潜力充满了信心，正致力于发展这一学科。1992 年2月，英国斯特拉克莱德大学成立了机敏结构材料研究所。在此之前，美国弗吉尼亚理工学院和弗吉尼亚州立大学成立了智能材料研究中心，密执安州立大学成立了智能材料和结构实验室。日本东北大学、三重大学、信州大学、日立造船技术研究所、金泽大学工学院等学校和研究单位的各学科的教授和研究人员都在研究各自感兴趣的仿生智能材料。世界范围的智能材料研讨会也开始增多。1992年1月，在苏格兰召开了第一届欧洲机敏材料和结构讨论会。1992年3月，日本科技厅主办了第一届国际智能材料研讨会。第一份专门介绍这一学科的刊物《智能材料系统和结构杂志》已经出版。
我国对智能材料的研究也十分重视，1991年国家自然基金会将智能/灵巧材料列入国家高技术研究发展计划纲要的新概念、新构思探索课题，智能灵巧材料及其应用直接作为国家高技术研究发展计划（863计划）项目课题。为推进我国智能材料的研究，国家自然科学基金委员会材料与工程科学部于1992年成立了“智能材料”集团。目前从事智能材料研究的单位和个人已逐渐增多。
智能材料的构成
一般来说智能材料由基体材料、敏感材料、驱动材料和信息处理器四部分构成。
（1）基体材料
基体材料担负着承载的作用，一般宜选用轻质材料。一般基体材料首选高分子材料，因为其重量轻、耐腐蚀，尤其具有粘弹性的非线性特征。其次也可选用金属材料，以轻质有色合金为主。
（2）敏感材料
敏感材料担负着传感的任务，其主要作用是感知环境变化（包括压力、应力、温度、电磁场、PH值等）。常用敏感材料如形状记忆材料、压电材料、光纤材料、磁致伸缩材料、电致变色材料、电流变体、磁流变体和液晶材料等。
（3）驱动材料
因为在一定条件下驱动材料可产生较大的应变和应力，所以它担负着响应和控制的任务。常用有效驱动材料如形状记忆材料、压电材料、电流变体和磁致伸缩材料等。可以看出，这些材料既是驱动材料又是敏感材料，显然起到了身兼二职的作用，这也是智能材料设计时可采用的一种思路。
（4）其它功能材料
包括导电材料、磁性材料、光纤和半导体材料等。
（5）信息处理器
信息处理器是核心部分，他对传感器输出信号进行判断处理。
智能材料的基本构成和工作原理
智能材料分类
智能材料的分类方法有很多种。根据材料的来源，智能材料包括金属系智能材料、非金属系智能材料以及高分子系智能材料。
金属系智能材料
金属材料因强度大、耐热且耐腐蚀，常在航空航天和原子能工业中用作结构材料。金属材料在作用过程中会产生疲劳龟裂及蠕变变形而损伤。期望金属系智能结构材料不但可以检测自身的损伤，而且可将其抑制，具有自我修复功能，从而确保结构物的可靠性。目前研究和开发的金属系智能材料主要有以下两类。
1.形状记忆合金
形状记忆合金是利用应力和温度诱发相变的机理来实现形状记忆功能的一类材料。其特点是:将已在高温下定型的形状记忆合金,置于低温或常温下使其产生塑性变形,当环境温度升高到临界温度(相变温度) 时,合金变形消失并可恢复到定型时的原始状态。在此恢复过程中,合金能产生与温度呈函数关系的位移或力,或者二者兼备。合金的这种升温后变形消失、形状复原的现象称为形状记忆效应( SME) 。形状记忆合金是集“感知”与“驱动”于一体的功能材料。若将其复合于其它材料中,便可构成在工业、科技、国防等领域中拥有巨大应用潜力的智能材料。国外学者普遍认为,形状记忆合金可感知复合材料结构件中裂纹的产生与扩展,并可主动地控制构件的振动,抑制裂纹的延伸与扩张,同时还可自动改变结构的外形等。基于这些原因,有人建议将形状记忆合金、压电聚合物等功能材料制成传感器和驱动器,置于先进的复合材料中,以便实现对材料性能、结构振动与噪音吸收等的主动控制,或对材料的损伤进行自愈合。
形状记忆合金，通常可分为非铁基和铁基两类。非铁基形状记忆合金有Ni-Ti,Cu-Zn-Al和Cu-Ni-Al; 而铁基形状记忆合金有Fe-Pt,Fe-Ni-C和Fe-Ni-Co-Ti等。
高后秀等对铜基形状记忆合金进行了合金化元素及其细化晶粒的研究，提高了铜基形状记忆合金的机械性能，现已用于热水器温控阀并申请了专利。刘西文等将铁基形状记忆合金用于管道连接，所开发的新型铁基形状记忆合金的记忆幅度达 3.2% ，连接管道耐压达58.8MPa ，为国际报道同类接头耐压值的10倍，并已获准3 项专利权，其同步记忆固化管道连接技术和新型铁基形状记忆复合材料形状记忆合金的开发均属国际首创。
形状记忆合金的应用十分广泛,而且在某些领域已达到了实用化的程度,但在多数领域仍有待进一步完善。形状记忆合金在智能材料与机构中,主要用作驱动器(执行器) 。这种驱动器具有不少优点:其一,由于形状记忆合金集“感知”与“驱动”于一体,所以便于实现小型化;其二,元件动作不受温度以外的环境条件的影响,故可用于某些特殊场合;其三,可产生较大的形变量和驱动力。
形状记忆合金的应用主要在以下6 个方面:
(1)机械器具:如潜艇用油压管、水管及其它各种管件接头、机器人用微型调节器、热敏阀门、机器人手、脚、工业内窥镜、可变路标等。
(2) 汽车部件:如汽车发动机防热风扇离合器、汽车排气自动调节喷管、柴油机卡车散热器孔自动开关、汽车易损件如外壳和前后缓冲器等。
(3) 能源开发:如固体发动机、太阳能电池帆板、温室窗户自动调节弹簧、住宅暖房用温水送水管阀门、汲地下油的机器、喷气发动机内窥镜等。
(4) 电子仪器:如温度自动调节器、光纤通讯用纤维连接器、空调风向自动调节器、咖啡牛奶沸腾感知器、双金属代用开头等。
(5) 医疗器械:如人工肾脏泵、人工心脏活动门、人工关节、人工骨、避孕器具、脊椎矫正棒、脑动脉瘤手术用固定器、牙科矫形丝、医用内窥镜等。
(6) 空间技术:
如卫星仪器舱门自动启闭器、人造卫星天线,即“智能天线”等。
2.形状记忆复合材料
形状记忆高分子聚合物是指具有初始形状，经行变并固定之后，可以通过加热等方法改变外部条件，使其恢复初始形状的聚合物。日本十年前率先开发出来的,属于弹性记忆材料。这类材料,当其温度达到相变温度时,便从玻璃态转变为橡胶态。此刻材料的弹性模量发生大幅度变化,并伴随产生很大变形。即:随着温度的增加,材料变得很柔软,加工变形很容易;反之,温度下降时,材料逐渐硬化,变成持续可塑的新形状。本材料价格低廉，可以大量用于碳纤维复合材料基的热驱动型形状记忆聚合物进行了温度与力学参数之间的关系分析研究【2】。
利用对电磁场敏感的铁氧体包复TiNi 形状记忆合金可制备纤维增能型复合材料。先在Al 基材中排列TiNi 形状记忆合金的长纤维，且在其形状记忆范围内进行拉拨、压延加工；然后对此复合材料进行适当热处理，使形状记忆合金产生收缩变形，利用Al基材中所产生的残留压缩应力，控制复合材料的热膨胀，使裂缝闭合，防止破裂，从而达到强韧化的目的，使材料可传感外部磁场和温度的变化，自身可变形并自动修复。这类形状记忆复合功能元件可与金属、高分子材料及混凝土等各种复合材料组成机敏结构材料.
非金属系智能材料
非金属智能材料的初步智能性是考虑局部可吸收外力以防材料整体破坏。近几年来，以下几类非金属系智能材料发展较快：
1.电(磁) 致流变流体材料
电致流变流体(简称电流变体ERF : Electro - rheological flu2ids) 材料和磁致流变流体(简称磁流变体MRF :Magneto - rheo2logical fluids) 材料都是智能系统与机构中执行器的主选材料,由于它们具有响应快速、连续可调、能耗低等优点,故其应用无疑会给许多新技术和新学科的发展带来革命性的变化。据报导,电(磁) 流变体的出现,已导致全世界50 %以上的液压系统和器件需待重新设计。
电流变体与磁流变体均系用人工方法合成,并集固体的属性与液体的流动性于一体的胶体分散体。确切地说,它们都是微米尺寸的介电颗粒均匀弥散地悬浮于另一种互不相溶的绝缘载液中时所形成的悬浮液体,而且,在外加电场或磁场作用下,胶体粒子将被极化并沿电场方向呈有序链状排列,从而使其流变特性如粘性、塑性、弹性等发生迅速而巨大的变化,或者由粘滞性液体转变成固态凝胶,或者其流体阻力发生难以想像的变化(剧增) 。
无论是电流变体还是磁流变体,其组成通常包含有如下几种成分:
(1) 连续介质(或称溶剂、载液) :为低粘度液体,如硅油、石腊油、橄榄油、变压器油以及煤油、润滑油或真空油等矿物油,还包括辛烷、甲苯、水银、烃类、酯类、聚苯醚等。一般来说,这些液体应具备高密度、高沸点、高燃点、低冻点、低粘度、疏水性以及电阻大、介电强度高、化学稳定性好、无毒、价廉等特点。通常,其冻点为- 40 ℃左右。粘度为0. 01～10Pa·s ,介电常数为2～15。
(2) 粒子介质(或称溶质、介电微粒) :主要有三类:金属类(如铁、钴、镍、铜、铁氧体、氧化铁、四氧化三铁等) 、陶瓷类(如压电陶瓷、高岭土、硅藻土、硅石、沸石等) 、半导体高分子材料(如明胶、淀粉等) 。粒子介质通常具有亲水性、多孔性。并且,在稀流体中,在电场或磁场作用下呈分立的球形颗粒,各向异性。粒子的直径一般为0. 01～10μm ,表面积约为400m2/ g。由介电粒子及其表面包覆层所构成的分散相,其介电常数多数在2～40 的范围内取值。一般情况下,粒子介质的体积约占连续介质的15 %～45 %。
(3) 稳定剂:主要有油酸、亚油酸等不饱和脂肪酸、酒精、胺、聚胺类、磷酸衍生物、盐类、皂类、长链状高聚物等。其作用是增加悬浮粒子的稳定性或产生粒子间的胶态分子团桥,让粒子既不产生沉淀又不出现絮凝,从而使流体始终处于溶胶或凝胶态。换言之,稳定剂的存在,使得分散粒子与连续介质之间形成许多亚微粒群,且这些群体的空隙中含有大量的流体。无
论对何种流变体而言,稳定剂的恰当用量都是极其关键的,量少则粒子产生沉淀。量多则流体呈浆糊状,一般用量为粒子重量的0. 05 %～0. 03 %。
(4) 添加剂:指有机活性化合物、非离子表面活化剂和水等,通常也是流变体的重要组成部分。对于电流变体而言,在许多场合下,是用水作添加剂。由于添加剂的含量直接并且显著影响电流变效应,太高或太低都会使电流变效应明显减弱. 所以,应严格控制水含量,一般其含量应占固体粒子重量的5 %～10 %。此外,甘油、油酸、洗涤剂等有时亦可用作添加剂。
目前,电(磁) 流变体在国外已被广泛应用于航天、航空等诸多领域,尤其是在自动化设备、通用与未来机械、石油化工与交通运输等方面应用价值极大,故其市场前景甚好。1994 年前就有专家预测:到1995 年,ERF 在美国和世界范围内的市场规模将分别高达35 亿和200 亿美元;并且此后全球每年将超过或大大超过200 亿美元。至于目前市场的实际状况,因资料所限,笔者无法提供确切数据,但形势喜人则是无须置疑的。与此同时,在国内,这方面的工作尚处于起步阶段,亟待深入。电流变体主要用于制造各种力学元器件,如:离合器(具有无级可调、容易控制、响应速度高的特点) 、减震器(可在约lms 内实现由低粘度到高粘应的变化,从而可独立而迅速地实现减震) 、液压阀等,此外,电流变体还可用于制造振动隔离系统,亦可用于有关胶体系统传热与传质现象的研究。开发双热管交换器和再生热交换器等。
尤其值得介绍的是,电流变体对于各种构件与建筑物的智能化有着突破性的重大贡献。例如,若将ERF 材料通过复合置于直升飞机的旋翼叶片中,便可实现叶片刚度的自动调节,以克服由于温度变化与水气凝固所带来的负面影响,并可抑制机翼翼面的振动。又如,若在注满电流变体材料的空心复合梁两端加上一个外加电场,则由于电流变体的固化,梁的强度会大大提高。如果将这个系统与传感器结合起来,就可使梁的性能随其负载而变化。此外,若将电流变体材料用来制作建筑物的基础,则在地震出现时便可实现建筑物的自动加固。磁流变体的用途亦很广泛,特别是在机电工业中,例如,制造磁液陀螺、磁液驱动装置;制作包括光传感器、温度传感器在内的各种传感器;机器人肌肉、工业机械手、外科手术“磁刀”等。需要指出: (1) 鉴于含水电流变体的诸多不足,无水电流变体随之面世,并以其温度范围宽、能耗较小、性能较稳定等特点使电流变体材料的研究出现了一个新的转机,因寻求性能更优的无水电流变体材料,高分子聚合物受到人们的广泛青睐。(2) 磁流变体比电流变体在应用时更方便、更有效,因而更有发展前景。因为要将电流变体从液体变为固体,通常需要外加2000V 以上的高压;而对磁流变体而言,要使悬浮液呈粘滞状,并进一步变为固体,只需改变磁场。显然,后者操作起来简便得多,因此,磁流变体更为适用。
2.电致伸缩材料
压电效应是对某种电介质施加压力则出现与应力量相应的极化，反之施加电场则产生应变的现象。压电材料的特点在于其可作感测器、制动器。压电陶瓷已成功地用于各种光跟踪系统、机器人的定位器、喷墨打印机以及噪声和振动的主动控制系统等。
电致伸缩材料,从某种意义上可以说就是指或主要是指压电材料。因为,就物理实质而言,压电材料与电致伸缩材料并没有根本区别,只不过前者强调的是利用正压电效应,后者强调的是利用逆压电效应。事实上,压电材料是一种同时兼具正逆电机械耦合特性的功能材料,若对其施加作用力,则在它的两个电极上将感应产生等量异号电荷;反之,当它受到外加电压的作用时,便会产生机械变形。基于这一原因,压电材料在智能机构中被广泛地用作传感器和驱动器(即执行器) 。并且。这类传感器和驱动器比其他类型的传感器和驱动器具有更为优良的频率特性和可集成特性。若将它们与其他组元有效地组合起来,则可构成一个对结构控制极为有效的智能材料系统。这个系统几乎可以完全根据设计者的意图调整结构的阻尼与自振频率等动力学特性,同时还可对结构的位移、应变、应力、加速度和破坏情况进行自动监测。
常用的压电材料大致可分为三类。
第一类是无机压电材料,如压电晶体(石英SiO2 ) 和压电陶瓷(钛酸钡BT、锆钛酸铅PZT、改
性锆钛酸铅、偏铌酸铅PN、铌酸铅钡锂PBLN、改性钛酸铅PT) 等。这类材料的研制成功,促进了声换能器、压电传感器等各种压电器件性能的改善和提高。
第二类是有机压电材料,又称压电聚合物,如偏聚氟乙烯( PVDF) (薄膜) 及以它为代表的其他有机压电(薄膜) 材料。这类材料以其材质柔韧、低密度、低声阻抗和高压电电压常数( g) 等优点为世人瞩目,且发展十分迅速,现已在水声、超声测量、压力传感、引燃引爆等方面获得应用。不足之处是压电应变常数( d)偏低,使之作为有源发射换能器受到很大的限制。
第三类是复合压电材料,这类材料是在有机聚合物基底材料中嵌入片状、棒状、杆状或粉末状无机压电材料构成的,可以说是第一类与第二类压电材料相结合的产物,但这种结合并非是单纯地按比例机械混合,而是在材料设计中充分考虑两者之间的“耦合效应”后所实现的最佳组合。这类材料,既具有高的耦合系数、压电常数,又具有低密度、低声阻抗和良好的柔韧性,至今已在水声、电声、超声、医学等领域得到广泛应用。如用它制成水声换能器不仅具有高的静水压响应速率,而且耐冲击,不易受损且可用于不同的深度。
目前,关于压电材料的研究与应用工作,仍在继续深入。北京航空航天大学曾对性能优良的37. 5Pb (Mg1/ 3Nb2/ 3 ) O3- 25PbZrO3 - 37. 5PbTiO3 三元系压电材料进行了系列掺杂试验。研究结果表明:多种添加剂的复合加入有可能实现材料Kp 与Qm 之间的优化组合。在上述三元系材料中添加2mol %的NiO、2mol %的Nb205 和0. 5 %(质量分数) 的MnO2 后,材料显示优异的压电性能:机电耦合系数Kp = 0. 62、机械品质因数Qm = 300、介电常数εr = 2400。武汉工业大学为提高压电陶瓷的压电与机械性能,拓宽应用领域,通过采用预先合成PZT(以确保基体具有单一的四方相钙钛矿结构) 、多次预烧,以及加入过量的PbO、掺入若干微量元素等方法成功地研制出PZSN 系材料,即Pb[ ( Zn1/ 3Nb2/ 3) ( Sn1/ 3Nb2/ 3) ] (ZrTi) O3 系材料。实验表明,这类材料具有优良的压电性能,尤其是微量元素Mn、Sb、Ba 、Sr 等的掺入,可使其压电系数、机电耦合系数和机械品质因素得到大幅度的提高;控制掺杂元素与掺杂量,可使材料适用于多个领域:既可用作接触与听觉传感元件,亦可制作超声波压电换能器;不但可作为压电变压器材料用于电视机显像管、雷达显示管、小功率激光管、离子发生器、静电印刷与静电除尘等各种高压设备,而且可直接利用其正压电效应产生高压,用于引燃和引燃装置。此外,还可用于铁电存储与记忆等智能元件中。
3.光致变色和电致变色材料
电致变色机敏窗（ESW）是一种可以改变入射辐射线吸收谱的多层膜结构装置。若其吸收谱处于可见光波段时，则可显示颜色变化。此类EWS可用于建筑物和车辆窗户的调光。陈艾等利用溶胶--凝胶法，以MnO3 和WO3复合制备电致变色薄膜，使混合膜的光吸收峰向高光子能量方向迁移。生物界的变色龙能够在不同环境下变幻出五彩缤纷的颜色，如今，一种如变色龙般敏感的材料由复旦大学高分子科学系聚合物分子工程教育部重点实验室、先进材料实验室研制成功。这种具有电致变色的新型智能材料将环境敏感的高分子材料聚二炔与碳纳米管形成符合纤维，通过电刺激能迅速改变或还原颜色。变色纤维可能取代现有的跑车塑料外壳，省油，耐用，美观，可作为霓虹灯的材料，还可以应用到电子安全开关、显色器、智能窗、敏感器件等多个领域【3】
光致变色现象是指一个化合物A受到一定波长的光照射时，发生特定的化学反应，获得产物B，由于结构的改变导致其可见部分的吸收光谱发生明显变化，从而发生颜色变化。而在另一波长的光照射或热的作用下，又能恢复到原来的状态，其典型的紫外-可见吸收光谱和光致变色反应原理可用下图定性描述【4】。
常见的光致变色材料：（1）无机光致变色材料如WO3（2）有机光致变色材料,如紫罗精【5】。目前，官至变色材料在防伪中已有应用，是通过制成光致变色防伪纸张及防伪油墨来实现的。光致变色防伪纸是将具有光色效应的材料通过混合于树脂液等粘合剂中，然后再涂布在纸基上，利用光致变色材料的可逆变色特性来鉴别真伪。
4.磁致伸缩材料
磁致伸缩材料是一种同时兼具正逆磁机械耦合特性的功能材料。当它受到外加磁场作用时,便会产生弹性变形;若对其施加作用力,则其形成的磁场将会发生相应的变化。故磁致伸缩
材料在智能系统或结构中,常被用作传感器和驱动器(执行器) 。早期磁致伸缩材料的代表合金是Ni、NiCo 、FeCo 、镍铁氧体,其磁致伸缩系数λs 大多很低,一般小于50 ×10 - 6 。后因稀土元素的磁致伸缩效应很大,又研制出了稀土化合物,其λs 可达(100～1000) ×l0 - 6 ,称为巨磁致伸缩材料。这类材料通常含有铽、钐、镝等稀土元素,如TbFe2 、SmFe2 等。不过它们的饱和磁场都较高( ≥1T) 。为降低工作磁场,随后又开发了多元稀土化合物,如(Tb ,Dy) Fe2 其λs 为(1100～1400) ×10 - 6 ,饱和(工作) 磁场也降低到0. 15T 或更低。最近又有人研究出两种新的磁致伸缩多层膜材料———TbCo/ FeCo 与TbFe/ Fe ,它们是交换耦合巨磁致伸缩材料与高磁极化强度材料的复合材料,可在低磁场下工作。
典型的巨磁致伸缩材料是以具有RFe2 Lave s 相为其结构特征的(Tb0. 27Dy0. 73) Fe2 合金。这类材料的特点是:在磁场的作用下,其长度、应力、弹性模量与声速均会发生变化,同时,因其磁畴呈直线,故可承受大致1400με的应变,与压电陶瓷相比高一个数量级,并且具有高的机电耦合系数和宽的工作温区。
目前, (Tb0. 27Dy0. 73) Fe2 合金已成为一种引人注目的高新技术材料,各国都在竞相研究开发并已进入商品化阶段。美国边缘公司( ETI) 的产品牌号为Tefenol - D ;瑞典菲勒汀公司( Fere2dyn - AB) 的产品牌号为MAGMEK86 ,成分为Tb0. 27Dy0. 73 Fe1. 95 ,尺寸为a6～30 ×200mm;英国最早生产的企业是稀土制品公司(REP) ,时间是1990 年;北京钢铁研究总院现可提供尺寸为( a8～20) ×200mm 的批试产品。应该指出,巨磁致伸缩材料的用量并不大,估计到2000 年全世界也不足200 吨,但因其价格昂贵,故产值仍相当高。目前这类材料的实用性能水平为:λs = 1800 ×10 - 6 ,磁各向异性E = 20. 24kJ / m3 ;实验室性能水平可达:λs =2400 ×10 - 6 , E = 36kJ / m3 。这类材料现阶段的研究目标主要集中在提高性能、改善工艺和降低成本三个方面。
高分子系智能材料
高分子系智能材料的范围很广。作为智能材料的高分子凝胶的研究与开发十分活跃，其次还
有智能高分子膜材、智能高分子粘合剂、智能药物释放体系和智能高分子复合材料【6】。1. 智能高分子膜材
高分子膜材具有物质渗透和分离功能，现正构象及分子聚集体变化，制成稳定性优异的膜材，它对以生体膜为模型研究开发刺激响应性多肽膜，利用可逆的构象及分子聚集体变化，制成稳定性优异的膜材，它对物质的渗透作用可随钙离子浓度、pH值及电场刺激而变化。目前研究主要集中于增大响应感度和改善其通--断控制等。
2.智能高分子粘合剂
高分子材料与金属和无机非金属材料不同，属于链段可随环境变化而重排、改组。利用这种界面的刺激响应性，姚康德等设计了智能高分子粘合剂，它可用来粘合极性和非极性的基材。这是由于粘极性材料时它表面层的极性部分响应，而粘非极性材料时它表面层的非极性部分响应的缘故。
3.智能药物释放体系
智能高分子材料作为生物医用材料，其应用前景十分广阔。如以其制成药物释放体系（DDS）载体材料，则这类DDS可依据病灶所引起的化学物质或物理量（信号）的变化，自反馈控制药物释放的通断特性。如血液浓度响应的胰岛素释放体系可有效地把糖尿病患者的血糖浓度维持在正常水平，这是利用多价羟基与硼酸基的可逆键合作为对葡萄糖敏感的传感部分。这种药物释放体系有助于避免产生与疾病有关的并发症。
Ronald A.Siegel等已发现了一种从敌对的胃环境中保护酸敏感药物的简单凝胶基体系，当凝胶置于酸性环境时收缩，但在大肠的碱性环境中膨胀并具有渗透性，允许胶囊药物在适当条件下扩散。
姚康德等以醋酸洗必泰为模型药物，组成基材型药物释放体系，释放行为特征为药物在酸性条件下可达到稳态释放，而在pH值= 7 . 8时，因溶胀而限制药物几乎不释放。他们现正探索靶向癌细胞的DDS, 如从对细胞无毒、无抗原性且可降解的支链淀粉Pul-lukn 出发，将其亲水性多糖部分以疏水性胆固醇取代，以提高它和癌细胞的相容性；而癌细胞则可作为该疏水化多糖的感受器。用此疏水化支链淀粉和抗癌药物复合，则得到能识别癌细胞，而不影响正常细胞的DDS.
4. 智能高分子复合材料
利用智能材料的概念可开发断裂传感器，使结构材料具有断裂自诊断性。测定碳纤维/玻璃纤维增强塑料的荷载--应变--电阻值，绘制成L-S-R曲线，发现电阻随形变增大，卸载有残留电阻的特点，表明纤维间及纤维界面会产生滞后，这是复合材料对过去承受最大变形的记忆功能。由此可以通过电阻变化预测破坏，从而预防材料断裂。可将所研究的表面形变感器用于一般结构材料。
5.光导纤维
光导纤维,有时亦可称为智能光纤。众所周知,智能材料系统必须具备的最关键的功能之一是“传感”。由于光纤具有其它任何材料都无法比拟的优异的传输功能,可以随时提供描述系统状态的准确信息,因此理所当然地成了最重要的信息传输材料,广泛地应用于各通信领域,并充任了智能材料系统中“神经网络”的关键角色。同时,又由于通过分析光的传输特性(强度、位相等) ,可获知光纤周围的密度、温度、压力、压强、电场、磁场、化学成分、X 射线、γ射线、光电子流等物理特性与环境条件的变化情况,故光纤还可用作传感元件或智能材料系统中的“神经单元”。
光纤直径细、易弯曲、体积小、重量轻、韧性好、埋入性佳,并且能耗低、频带宽、传输速率高、反应灵敏、抗电磁干扰能力强,加之兼具信息感知与信息传输的双重功能,便于波分与时分复用、分布传感与传感器复用,同时还耐高温、耐腐蚀,因此被世界公认为智能材料系统与结构首选的传感材料。近年来,在碳纤维或有机纤维/ 树脂基复合体中埋入光纤传感系统已
成为智能材料研究领域的重要手段和研究热点。由于用于智能材料的光纤传感器与用于一般场合的传统传感器不尽相同———前者系嵌镶在智能机构内,后看是处于自由空间中,因此对前者的尺寸、结构、涂层等均有不少特殊的要求,基于这一情况,电子部四十六所研制出了新型的涂碳密封被覆光纤和细径保偏光纤。实验与应用表明,这两种光纤性能优良,有重要的实用价值。今后,随着智能材料实用化进程的推进与对智能材料性能要求的扩展,世界各国无疑会加大对智能光纤的研究投入与力度。
6.功能凝胶
功能凝胶,又称愈合材料。这是一类具有特异功能与极强粘合力的高分子材料。或者说,它是一类其状态可随环境条件(如温度、压力等) 而变化,并能及时向结构供给能量与物质的强力粘合材料，其大分子主链或侧链上有离子解离性、极性和疏水基团，类似于生体组织。此类高分子凝胶可因溶剂种类、盐浓度、pH值、温度的不同以及电刺激和光辐射而产生可逆的、非连续的体积变化。若将它装在脆性管道中埋入结构内部,那么,当结构严重超载、地震、强台风等原因造成应力过大出现局部裂纹时,脆性管道就能自行断开。呈液态的“愈合剂”便会自动渗进裂缝与微裂缝的各个部位,并在极短的时间内迅速凝固,将裂缝牢牢粘合,从而达到结构自修复与环境自适应的目的。目前,可供采用的功能凝胶有:聚酸乙烯乳液、氯丁- 酚醛、聚乙烯醇缩醛等。功能凝胶具有广阔的应用领域和前景,主要用于各类重要结构的新建、改建、维修与加固,尤其是用于国家重大基础工程结构中。
智能材料的功能
因为设计智能材料的两个指导思想是材料的多功能复合和材料的仿生设计，所以智能材料系统具有或部分具有如下的智能功能和生命特征：
(1)传感功能
能够感知外界或自身所处的环境条件，如负载、应力、应变、振动、热、光、电、磁、化学、核辐射等的强度及其变化。
（2）反馈功能
可通过传感网络，对系统输入与输出信息进行对比，并将其结果提供给控制系统。
（3）信息识别与积累功能
能够识别传感网络得到的各类信息并将其积累起来。
（4）响应功能
能够根据外界环境和内部条件变化，适时动态地作出相应的反应，并采取必要行动。
（5）自诊断能力
能通过分析比较系统目前的状况与过去的情况，对诸如系统故障与判断失误等问题进行自诊断并予以校正。
（6）自修复能力
能通过自繁殖、自生长、原位复合等再生机制，来修补某些局部损伤或破坏。
（7）自调节能力
对不断变化的外部环境和条件，能及时地自动调整自身结构和功能，并相应地改变自己的状态和行为，从而使材料系统始终以一种优化方式对外界变化作出恰如其分的响应。
智能材料的应用
在建筑方面，科学家正集中力量研制使桥梁、高大的建筑设施以及地下管道等能自诊其“健康”状况，并能自行“医治疾病”的材料。英国科学家已开发出了两种“自愈合”纤维。这两种纤维能分别感知混凝土中的裂纹和钢筋的腐蚀，并能自动粘合混凝土的裂纹或阻止钢筋的腐蚀。粘合裂纹的纤维是用玻璃丝和聚丙烯制成的多孔状中空纤维，将其掺入混凝土中后，在混凝土过度挠曲时，它会被撕裂，从而释放出一些化学物质，来充填和粘合混凝土中的裂缝。防腐蚀纤维则被包在钢筋周围。当钢筋周围的酸度达到一定值时，纤维的涂层就会溶解，从纤维中释放出能阻止混凝土中的钢筋被腐蚀的物质。
在飞机制造方面，科学家正在研制具有如下功能的智能材料：当飞机在飞行中遇到涡流或猛烈的逆风时，机翼中的智能材料能迅速变形，并带动机翼改变形状，从而消除涡流或逆风的影响，使飞机仍能平稳地飞行。利用智能材料弯曲变形可以改变翼形弦向、展向形状。如图1所示,在翼面前缘或后缘采用智能材料,利用智能材料改变翼形弯度。在此方案中, 翼面前缘一般在飞行过程中受较大的气动载荷,因此,在智能材料选用上,要选取在较低能量下, 能够提供较大驱动应力的材料。后缘相对气动力较小, 此方案更易实现。另外, 翼面前缘为雷达波主要散射源,因此选用轻质具有隐身效果的复合材料, 有助于提高翼面设计的功能拓展性。其次,如图2所示, 在翼面蒙皮内埋入智能材料,利用智能材料的弯曲变形, 改变翼面扭曲分布,减小诱导阻力,改善飞行器机动能力【7】。
智能材料可进行损伤评估和寿命预测的飞机自诊断监测系统。该系统可自行判断突然的结构损伤和累积损伤，根据飞行经历和损伤数据预计飞机结构的寿命，从而在保证安全的情况下，大大减少停飞检修次数和常规维护费用，使商业飞机能获得可观的经济效益。此外，还有人设想用智能材料制成涂料，涂在机身和机翼上，当机身或机翼内出现应力时，涂料会改变颜色，以此警告。智能材料在直升机的设计上有很大的应用潜力，他的优异性能带给直升机设计者很多新的思路与启发，它的研究、开发及利用必将对未来直升机的发展产生深远的影响，从旋翼、发动机等主要结构体材料到减震降噪、实时监测等功能元件，智能材料都可大显身手。智能材料的仿生性以及智能化特点符合当前技术发展的潮流，尤其是多个国家已将中鞥材料的研究发展列为科研的重点内容，势必会给直升机制造业的突破性发展带来重大机遇。
在医疗方面，智能材料和结构可用来制造无需马达控制并有触觉响应的假肢。这些假肢可模仿人体肌肉的平滑运动，利用其可控的形状回复作用力，灵巧地抓起易碎物体，如盛满水的纸杯等。药物自动投放系统也是智能材料一显身手的领地。日本推出了一种能根据血液中的葡萄糖浓度而扩张和收缩的聚合物。葡萄糖浓度低时，聚合物条带会缩成小球，葡萄糖浓度高时，小球会伸展成带。借助于这一特性，这种聚合物可制成人造胰细胞。将用这种聚合物包封的胰岛素小球，注入糖尿病患者的血液中，小球就可以模拟胰细胞工作。血液中的血糖浓度高时，小球释放出胰岛素，血糖浓度低时，胰岛素被密封。这样，病人血糖浓度就会始终保持在正常的水平上。智能材料可以大量用于生物医学的各个方面。在药物释放体系方面，除上面提到的例子外，烯酸氢乙基酯（HEMA）的水合型共聚物水凝胶作成的可移植的药物释放体系可治疗前列腺癌、性早熟以及作男性避孕装置。另外，热可逆聚合物凝胶可作生物杂交人工胰脏以及细胞固定体系等:K 利用改性聚合物凝胶制成的凝胶“手”通过温度的调整可以抓住或释放物体。生物医学材料指的是一类具有特殊性能、特种功能，用于人工器官、外科修复、理疗康复、诊断、治疗疾患，而对人体组织不会产生不良影响的材料。现在各种合成材料和天然高分子材料、金属和合金材料、陶瓷和碳素材料以及各种复合材料，其制成产品已经被广泛地应用于临床和科研。生物医学材料得以迅猛发展的主要动力来自人口老龄化、中青年创伤的增多、疑难疾病患者的增加和高新技术的发展。人口老龄化进程的加速和人类对健康与长寿的追求，激发了对生物材料的需求。作为世界人口最多的国家，中国已进入老龄化国家行列，生物材料的市场潜力将更加巨大。随着生物技术的发展，不同学科的科学家进行了广泛合作，从而使制造具有完全生物功能的人工器官展示出美好的前景。
军事方面，在航空航天器蒙皮中植入能探测激光、核辐射等多种传感器的智能蒙皮，可用于对敌方威胁进行监视和预警。美国正在为未来的弹道导弹监视和预警卫星研究在复合材料蒙皮中植入核爆光纤传感器、X射线光纤探测器等多种智能蒙皮。这种智能蒙皮将安装在天基防御系统平台表面，对敌方威胁进行实时监视和预警，提高武器平台抵御破坏的能力。智能材料还能降低军用系统噪声。美国军方发明出一种可涂在潜艇上的智能材料，它可使潜艇噪声降低60分贝，并使潜艇探测目标的时间缩短100倍。在未来高技术局部战争中系统中飞行器的重要特征。各种飞行器系统向着，多维一体的信息化体系作战与智能化的远程精确定位能力将成为国防“大航程、高突防、智能化”方向发展, 提高武器系统的攻防对抗、精确打击能力,具备多种作战任务的执行能力。飞行器翼面结构也因此有了新的发展方向, 例如,飞机机翼能够根据飞行条件弯曲变形,保持最佳巡航效率;导弹可以通过改变升力面,实现多种任务剖面的飞行模式;某些飞行器可以通过翼面形状变化, 实现从亚声速飞行变为超声速飞行。
航空航天方面，随着压电材料结构在航空航天结构控制领域的广泛应用，压电驱动器与主题结构间的应变传递问题的研究日益重要【8】。智能材料能经受恶劣环境，同时能对自己的状况进行自我诊断，并能阻止损坏和退化，能自动加固或自动修补裂痕和裂纹的材料，
从而防止许多灾难性事故的发生。
产品设计方面，主要体现为4个方面：情趣的智能、处理的智能、适应的智能、交流的智能。除上述几个方面外，智能材料的再一个重要进展标志就是形状记忆合金，或称记忆合金。这种合金在一定温度下成形后，能记住自己的形状。当温度降到一定值（相变温度）以下时，它的形状会发生变化；当温度再升高到相变温度以上时，它又会自动恢复原来的形状。目前记忆合金的基础研究和应用研究已比较成熟。一些国家用记忆合金制成了卫星用自展天线。在稍高的温度下焊接成一定形状后，在室温下将其折叠，装在卫星上发射。卫星上天后，由于受到强的日光照射，温度会升高，天线自动展开。除此之外，还有人用记忆合金制成了窗户自动开闭器。当温度升至一定程度后窗户自动打开，温度下降时自动关闭。
在土木建筑领域，除上已提到的能自行愈合的混凝土外，日本一家公司现正研制一种强化混凝土。他们将碳纤维和玻璃纤维强化的树脂置于其中，碳纤维是导电体，假如混凝土受压爆裂，切断碳纤维，整个建筑物的电阻增加，导电量改变，成为建筑物出现问题的信号，玻璃纤维却仍保持完好，使建筑物不至于全面崩溃。这种强化混凝土适合于海底建筑物用，也可用于建筑高速公路和跨海大桥【9】。
高精密仪器以及其自动化生产方面，利用以前的压电聚合物或聚电解质凝胶制成了新“似皮”触觉传感器和类似肌肉的执行器。Yoshihito Osada和Mariko Hasebe 用聚电解质凝胶组成了自动动力化学模型，利用凝胶收缩、振动并可逆地弯曲，发明了在电等刺激下工作的“化学阀”，这种阀每分钟切换、振动15-100次，像“双金属”似的复合弯曲。这种动力化学设备还可用作pH敏感电极、传感器、执行器等。Adachi用在转变温度等变形的成形记忆树脂或塑料作为温度显示仪上热敏感元件。在室温和冷冻防腐温度间的成形记忆聚合物作冷冻防腐传感器。改性的凝胶可应用于凝胶显示设备，如开关或阀门上，还可用作核磁控制剂。
机械工业方面，A Kaychalsky 制备了一种以膜或纤维形式存在的聚丙烯酸或聚甲基丙烯酸的三网网格，它能在水中溶胀，这样的一块薄膜能举起一个相当重的物体。Tatara发现了一种化学动力活塞和冲头，在其中填上840mL 树脂，被用作起重机。同时在溶胀状态的树脂产生的压力使活塞能用作“锭子”或“刹车”。
抑制振动和噪声方面，将压电材料置于结构表面或内部以感测振动，利用经过放大的输出功率去驱动另一个粘贴于不同区域的压电材料，以减少振动反应。此法已成功地应用于降低圆柱形卫星天线桅杆的振动；同时已研制出具有自行调整外形功能的直升机推进叶片，以降低不必要的噪声和振动【10】。
智能材料今后的研究方向
智能材料已成为当今世界高度关注的热点和焦点,自1990年以来,各种有关智能材料的学术团体、研究机构相继成立;有关智能材料的国际研讨会几乎年年举行;并且创办了两种专业性学术期刊。世界各国,特别是工业发达国家,纷纷将之列为国家重大科研项目,加大投入,竞相发展。美国已将智能材料定为具有战略意义、优先发展的研究领域之一;日本通产省工技院把它列入1995 年开始实施的基础科学先导研究的七项重大项目之一,并从1998 年开始,将之作为大学合作型产业科学技术研究开发项目和国家21 世纪创新产业的加强支持项目;欧洲亦提出并正在加紧实施智能复合材料结构研究计划。我国航天工业总公司也将智能材料列入九五及中长期发展规划。尤其需要提到的是:近年来,美国的一些政府机构,包括高级研究计划局、国家航空航天局、陆军研究局、空军与海军研究局等,在智能材料的研究方面,每年都投入了大量的资金。据粗略估计,这些机构每年总投资均在4000 万美元以上。其中,仅高
级研究计划局1993 年就制订了一个为期6 年、费用高达5740 万美元的研究计划,用于智能材料与结构的研究开发。目前,国际上有关智能材料的研究重点集中在生物智能材料与关键工程结构件材料的智能化两大方面,具体的研究热点亦不少,主要包括:机敏材料、机敏传感器、机敏执行器以及智能控制理论与关键共性技术、智能结构数学力学、智能结构设计理论与方法、智能材料系统与结构的应用等。
智能材料是一种集材料与结构、智然处理、执行系统、控制系统和传感系统于一体的复杂的材料体系。它的设计与合成几乎横跨所有的高技术学科领域。构成智然材料的基本材料组元有压电材料、形状记忆材料、光导纤维、电（磁）流变液、磁致伸缩材料和智然高分子材料等。智然材料的出现将使人类文明进入一个新的高度，但目前距离实用阶段还有一定的距离。今后的研究重点包括以下六个方面：
（1）智能材料概念设计的仿生学理论研究
（2）材料智然内禀特性及智商评价体系的研究
（3）耗散结构理论应用于智能材料的研究
（4）机敏材料的复合-集成原理及设计理论
（5）智能结构集成的非线性理论
（6）仿人智能控制理论
开发智能材料的战略意义
开发智能材料,无论对于推动科学技术的进步,还是促进国民经济的发展,都具有重大的战略意义。具体地说:
(1) 、由于智能材料是一门多门类、多学科交*的科学,与物理学、材料力学、电子学、化学、仿生学、生命科学、控制理论、人工智能、信息技术、生物技术、计算机技术、材料合成与加工等诸多的前沿科学及高新技术戚戚相关、紧紧相连,因此,它一旦有所突破,便会导致众多学科的理论创新和许多领域的技术变革,大大地推动国家科学技术的进步和综合实力的提高。
(2) 、智能材料具有十分重要的现实用途和极为广阔的应用前景。从高精尖的宇宙探索,直到普通人的日常生活,智能材料都起着重要的作用。例如,在各种关键装备设施和大型重要工程中,智能材料能够在线、动态、及时、主动地“感知”自身的受力、受冲击、振动、温度、裂纹等情况,以及受损伤的程度等,并可通过预警、自适应调整、自修复补救等方式,预报以至消除危害,从而极大地提高工程结构的安全性和可*性,避免灾难性事故的发生。反过来,这一切“病兆”的预报与事故的避免,又将导致现行结构安全监控概念的根本变化,并引起一场关于工程构造设计思想的深刻革命。
参考文献
【1】电致变色的新型智能材料——变色纤维浙江纺织服装职业技术学院学报2010年03期
【2】压电驱动器应变传递模型分析作者：贾丽杰李敏陈伟民《工程力学》2010年08期
【3】光致变色防伪材料及其应用作者：马先锋《广东科技》2010年14期
【4】智能高分子材料的研究进展作者：陈秀丽裴先茹《化学工程与装备》2010年03期
【5】形状记忆聚合物的力学性能研究作者：童世虎董雷徐志宏《工程与实验》2009年03期
【6】智能材料在直升机上的应用作者：李辉裴鑫杨而蒙《中国科技信息》2009年01期
【7】智能材料与产品设计作者：聂桂平丁超《东华大学学报（自然科学版）》2008年03期
【8】智能材料在飞行器机翼面结构中的应用探索作者：蒋海涛颜凌晖《飞航导弹》2008年1期
【9】电致变色材料的变色机理及其研究进展作者：沈庆月陆春华许仲梓《材料导报》2007年S1期
【10】智能材料的现状及发展趋势作者：张胜兰沈新元杨庆《中国纺织大学学报》2000年03期
【11】智能材料发展概述作者：姚康德许美萱成国祥《智能材料》1990年