智能材料研究进展
摘要
智能材料是一门多门类、多学科交叉的科学，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。
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，到普通人的日常生活，智能材料都起着重要的作用。
未来社会发展的趋势是智能化。
智能化的首要问题是大力发展智能材料，智能材料的研究是材料科学研究的重要方向。
智能材料的本质特征是材料具有仿生功能，即材料能根据感受到的信息而自动判断、控制和调整以适应外界条件变化。
本文介绍了智能材料的概念、定义及智能材料的特征,阐述和评价了智能材料——形状记忆合金、电流变体材料、光致变色材料、电致变色材料、形状记忆复合材料和智能型药物释放体系等的种类、组成、特点、用途、研究现状与市场前景。
重点论述了压电陶瓷材料的制造工艺、特点、性质、研究现状及市场前景等。
论述了发展智能材料的战略意义，展望了它的发展前景。
关键词：智能材料，研究，应用，发展
DEVELOPMENT PROGRESS OF
SMART MATERIALS
ABSTRACT
Smart materials is more than one categories, interdisciplinary science, and physics, mechanics, electronics, chemistry, bionics, life sciences, control theory, artificial intelligence, information technology, biotechnology, computer technology, materials synthesis and processing and many other leading edge science and very much related to high-tech, tightly linked. Therefore, once it has been a breakthrough, it will lead to many disciplines in many areas of theoretical innovation and technological change; greatly promote national scientific and technological progress and the improvement of overall strength. Smart materials is of great practical use and very broad application prospects. Explore the universe from the sophisticated to the daily lives of ordinary people, smart materials play an important role.
The trends of coming society are intellectualization. The essential issue of intellectualization is to develop intelligent materials vigorously. The study of intelligent materials is a crucial direction of material science.The main characteristic of intelligent materials is bionics functions. That is, it can judge, control and adjust it automatically to adapt the change of the external environment according to accepting information.
In this paper, the concept of smart materials, definitions, describes the characteristics of smart materials, intelligent materials described and evaluated - shape memory alloys, electrorheological materials, photochromic materials, electrochromic materials, shape memory composites and smart based drug delivery system, and the type, composition, characteristics, uses, current situation and market prospects. Focuses on the manufacturing process of piezoelectric ceramic materials, characteristics, nature, current situation and
market prospects. Discusses the strategic significance of the development of intelligent materials and look forward to its future development.
KEY WORDS：smart materials, research, application, development
目录
前言 (1)
第一章绪论 (3)
§1.1智能材料内涵 (3)
§1.2智能材料的定义 (4)
§1.3国内外发展情况 (5)
§1.4智能材料的分类 (6)
第二章智能材料发展现状及应用前景 (7)
§2.1金属系智能材料 (7)
§2.1 形状记忆合金 (7)
§2.2无机非金属系智能材料 (9)
§2.2.1 电流变体材料 (9)
§2.2.2 光致变色材料 (11)
§2.2.3 电致变色材料 (12)
§2.3高分子系智能材料 (14)
§2.3.1 形状记忆复合材料 (14)
§2.3.2 智能型药物释放体系 (15)
第三章压电陶瓷 (18)
§3.1压电陶瓷的制造工艺 (18)
§3.2压电陶瓷的特性 (20)
§3.3压电陶瓷材料研究现状 (21)
§3.3.1 一元系压电陶瓷 (21)
§3.3.2 二元系压电陶瓷 (22)
§3.3.3 三元系及多元系压电陶瓷 (23)
§3.4压电陶瓷的应用 (23)
§3.5压电陶瓷的发展趋势 (26)
§3.5.1 压电复合材料 (26)
§3.5.2 压电薄膜 (26)
§3.5.3 无铅压电陶瓷 (27)
§3.5.4 纳米压电陶瓷 (27)
第四章压电陶瓷的压电效应 (29)
§4.1压电陶瓷的压电效应 (29)
§4.2压电陶瓷正压电效应验证试验 (29)
§4.3压电陶瓷逆压电效应 (30)
结论 (31)
参考文献 (33)
致谢 (35)
前言
随着高新技术的不断发展，作为现代科技三大支柱之一的新材料技术业已成为世界各国学者们争相探索和研究的热点领域。
材料技术是不同工程领域的共性关键技术。
事实上，当代每一项重大新技术的出现，几乎都有赖于新材料的发展。
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，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行性，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。
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。
日本的部分高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。
在我国，智能材料的研究虽然取得一些令人瞩目的成果，但是相对于美
国、日本等发达国家，我国的智能材料研究整体水平不高，技术手段还相当落后，跟踪研究多，源头创新少。
因此，我国大力发展研究智能材料已迫在眉睫。
本文综述了目前国内外智能材料中金属系智能材料，无机非金属系智能材料和高分子系智能材料的发展、特点、研究现状及其应用前景。
重点探讨了无机非金属系智能材料中压电陶瓷材料的发展、特点、现状及应用前景，根据压电陶瓷的逆压电效应提出了电折系数概念，并分析了其在压电陶瓷的压电效应领域研究中的应用。
第一章绪论
§1.1 智能材料内涵
80年代中期，航空航天领域的需求驱动了智能材料的研究与发展。
1988年4月28日，波音737客机在美国出现灾难性断裂事故，使美国国会意识到，为避免服役中的飞机发生类似事故，飞机应有自我诊断和及时预报系统，并通过议案，要求3年内完成智能飞机的概念设计。
近年来，高速、重载飞行器的发展要求以及大型工程机构的安全和质量问题引起了各国政府、工程技术界的广泛关注。
概括起来，关注的主要领域有：飞行器机翼的疲劳断裂监测及形状自适应控制，湍流控制的只能蒙皮，大型柔性空间机构的阻尼振动控制，机构健康监测，土建施工中的质量检测，火警探测及控制，管道系统的腐蚀和冲蚀探测，高寂静产品的噪声控制，空气质量、温度控制及减振降噪，能量的最佳利用，在用系统性能的评估和残留寿命的预测，机器人的人工四肢等[1]。
近年来迅速发展起来的生物医用材料及生物工程也涉及到诸多材料的智能化，如：自动服药系统及药物的可控释放；生物医用材料的活性及其与人体环境之间的相容性等。
智能材料来源于仿生学，从仿生学的观点出发，智能材料内部应具有或部分具有以下生物功能。
1、有反馈功能，能通过传感神经网络，对系统的输入和输出信息进行比较，
并将结果提供给控制系统，从而获得理想的功能[2]。
2、有信息积累和识别功能，能积累信息，能识别和区分传感网络得到的各
种信息，并进行分析和解释。
3、有学习能力和预见性功能，能通过对过去经验的收集，对外部刺激做出
适当反映，并可预见未来并采取适当的行动[3]。
4、有相应性功能，能根据环境变化适时地动态调节自身并作出反应。
5、有自修复功能，能通过自生长或原位复合等再生机制，来修补某些局部
破损[4]。
6、有自诊断功能，能对现在情况和过去情况作比较，从而能对诸如故障及
判断失误等问题进行自诊断和校正。
7、有自动动态平衡及自适应功能，能根据动态的外部环境条件不断自动调
整自身的内部结构，从而改变自己的行为，以一种优化的方式对环境变化作出响应[5]。
图1-1是智能材料示意图。
图1-1 智能材料示意图
§1.2 智能材料的定义
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、控制和驱动三种职能集于一身，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[6]。
智能材料的基础是功能材料。
功能材料通常可分为两大类，一类称为敏感材料或感知材料，是对来自外界或内部的各种信息，如负载、应力、应变、振动、热、光、电、磁、化学和核辐射等信号之强度及变化具有感知能力的材料，可用来制造各种传感器；另一类称为驱动材料，是在外界环境或内部
状态发生变化时，能对之作出适当的反应并产生相应的动作的材料，可用来制成各种执行器（驱动器）或激励器。
兼具敏感材料与驱动材料之特征，即同时具有感知与驱动功能的材料，称为机敏材料。
机敏材料对于来自外界和内部的各种信息，并不具有处理功能和反馈机制,不能顺应环境条件的变化及时调整自身的状态、结构和功能。
而智能材料正好弥补了其不足[7]。
简言之，智能材料是特殊的、或者说具有智能功能的功能材料。
智能材料通常不是一种单一的材料，而是一个材料系统；或者确切地说，是一个由多种材料组元通过有机的紧密复合或严格的科学组装而构成的材料系统。
可以说，智能材料是机敏材料与控制系统相结合的产物；或者说是敏感材料、驱动材料和控制材料（系统）的有机合成。
就本质而言，智能材料就是一种智能机构，它是由传感器、执行器和控制器三部分组成[8]。
§1.3 国内外发展情况
我国自上世纪九十年代起，也开展了多项智能材料与结构的研究。
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。
南京航空航天大学在陶宝棋教授的带领下于1991年最先成立了智能材料与结构航空科技重点实验室。
是国内第一个专门从事智能材料与结构研究的部级重点实验室。
国内其他高校和研究所，如哈尔滨工业大学、清华大学、武汉理工大学等也都开展了该方面的研究工作，并取得了显著的成果[9]。
而且，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结构列入研究计划项目。
国内已有一批专家学者在这方面的研究达到国际先进水平。
1991年国家自然科学基金会将智能、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[10]。
自从近年来，美国主要在军事、宇航、汽车、建筑、机床、船舶以及医学等领域，就智能材料结构用于振动和噪声的主动控制、气动弹性设计、阻尼特性、形状及应力分布等方面进行了研究。
日本在建筑物的减振和防震、发动机和空调器的降噪以及自适应结构研究等方面取得了较大的进展。
欧洲国家则从民用和军事目标上全面展开智能材料结构的研究，近年来正在实施全传感技术智能材料结构研究计划。
§1.4 智能材料的分类
智能材料是最近几年才出现的新型功能材料，它的研究呈开放和发散性，涉及的学科包括化学、物理学、材料学、计算机、海洋工程和航空等领域学科，其应用范围十分广阔[11]。
智能材料是继天然材料、人造材料、精细材料之后的第四代功能材料。
因为现在可用于智能材料的材料种类不断扩大，所以智能材料的分类也只能是粗浅的，分类方法也有多种，一般若按功能来分可以分为光导纤维、形状记忆合金、压电、电流变体和电（磁）致伸缩材料等。
若按来源来分，智能材料可以分为金属系智能材料、无机非金属系智能材料和高分子系智能材料。
目前研究开发的金属系智能材料主要有形状记忆合金；无机非金属系智能材料在电流变体、压电陶瓷、光致变色和电致变色材料等方面发展较快；高分子系智能材料的范围很广泛，包括形状记忆复合材料、智能高分子粘合剂、智能型药物释放体系和智能高分子基复合材料等[12]。
它们正日益受到各方面的关注，从其结构的构思、智能结构的新制法到新型智能材料的研究和开发都十分活跃。
本文按着智能材料的来源来分类概括各类智能材料的发展现状，分析其特点，展望其应用前景。
第二章智能材料发展现状及应用前景
§2.1 金属系智能材料
目前国内外开发的金属系智能材料主要有形状记忆合金。
§2.1.1 形状记忆合金
20世纪60年代初，美国马里兰州海军军械研究所的科学家比勒，用镍钛合金丝做实验。
这些合金丝弯弯曲曲，为了使用方便，他把这些合金丝弄直了。
但是，当他无意中把合金丝靠近火的时候，奇迹发生了：已经弄直的合金丝居然完全恢复了它们原来弯弯曲曲的形状。
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) 。
图2-1是航天飞机运载的形状记忆合金材料制成的空间站抛物面天线。
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。
事实上，国内外已有不少学者正在进行这方面的工作。
如北京航空航天大学就曾将TiNi合金带复合于易产生裂纹或损伤的金属构件内，并使之与微机监控系统结合，制成了具有探测和控制裂纹扩展功能的TiNi合金智能复合构件，效果较好。
80年代初，经历了将近20年的时间，科学工作者们终于突破了TiNi 合金研究中的难点，从那以后，形状记忆合金成了许多国家的热门学科，多次出现形状记忆合金学术会议的与会者爆满，甚至不得不临时变更会场，在形状记忆合金研究方面所发表的论文数很快跃居马氏体相变研究领域之最。
不仅如此，形状记忆合金在工业界也受到了极大的重视。
形状记忆合金在应用开发中申请的专利已逾几万件，在市场上付诸实际应用的例子已有几百种，应用所涉及的领域极其广泛，包括电子、机械、宇航、运输、建筑、化学、医疗、能源、家电以及日常生活用品等，几乎涉及产业界的所有领域。
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。
形状记忆合金的应用与市场前景十分喜人。
例如从70 年代开始，美国将形状记忆合金用于制造战斗机油压管接头，150万件无一例事故，因此美国军界规定今后的新型飞机油压管接头一律采用形状记忆合金，并在潜艇和舰艇中推广。
俄罗斯、日本、德国也在积极推广应用。
1981年开始实现形状记忆合金商品化，仅俄罗斯一个铝合金研究院每年就生产形状记忆合金40吨；而美国则每月生产40吨，而且用量仍在迅速增加；日本形状记忆合金的销售市场，从1989年到1993年的四年中，扩大了20倍，每月销售额达20亿日元。
中国是一个发展中的大国，绝大多数的人民的收入不是很高，支配不起以形状记忆合金为原料的产品，因此难以把以形状记忆合金为原料的产品普及到普通老百姓的生活当中。
目前若要普及以形状记忆合金为原料的产品，就必须要使形状记忆合金的成本降低，这样才能使其极大地融入到普通百姓的生活中，为人们的生产生活服务。
关于记忆合金的原理现在还不十分清楚。
一般认为，记忆合金由复杂的菱形晶体结构转变成简单的立方晶体结构时，就会发生形状恢复的记忆。
而当记忆合金恢复原形时伴随产生极大的力，镍钛诺合金高达60公斤平方毫米，远比最初变形时加的力大。
一般说来，可达原变形的十倍，这就意味着输出的能量比输入的能量大得多。
科学家对此也无法解释。
综上所述，寻找功能类似于形状记忆合金却资源丰富的材料或者合成此种功能的材料代替价格昂贵的形状记忆合金才是当前的研究重点。
继续探索形状记忆合金的原理，利用好形状记忆合金形状恢复时发出巨大能量也是当前研究的重中之重。
§2.2 无机非金属系智能材料
目前，无机非金属系智能材料在电流变体材料、压电陶瓷、光致变色和电致变色材料等方面发展较快。
压电陶瓷材料将在下一章中重点探讨。
§2.2.1 电流变体材料
电流变体（Electrorheological Eluids，简称ERF）也叫电场致流变体。
这类胶态悬浮液在外加电场的作用下，内部会出现一种沿电场方向的纤维状结构，该结构大大地增加了流体的粘度，通常可高达105Pa﹒s，故在几毫秒的时间内悬浮液可由液体变为固体，这种现象被称为电流变现象，亦称“winslow效应”，最早由Winslow在1949年进行了详细的报道。
Winslow 在液体（连续相）中加入定量的固体颗粒（不连续相或分散相），制成了电流变体。
实验表明：在外加电场的作用下，电流变体由没加电场的液体状态变为粘胶状固体状态；而一旦撤去外加电场，电流变体又迅速变为液体状态。
这一可逆效应的发现，使人们发现了一种用于材料状态控制的新型功能材料。
自从Winslow在四十年代末期发现了电流变体，世界上已有许多公司、科研机构在致力于这方面的研究，主要用于汽车离合器、液压阀门、减振器、机器人等领域[13]。
在理论上，电流变体大规模应用在工业上应该有潜力，但是由于种种原因，目前还没有一项产品实现商品化。
阻碍电流变体工程应用的主要因素有：对电流变体的作用机理至今尚了解不透彻，电流变体的屈服应力太低，磨耗性能达不到要求，形成电流变效应的电场强度过高，长期使用时粒子易沉降且电流变效应不稳定等。
要使电流变体在工业上得以应用，还需要加强以下几个方面的工作：（1）进一步研究电流变体的作用机理，对电流变现象有关的物理、化学概念作彻底了解，弄清有关材料的性质与电流变现象的关系以及影响电流变现象的因素，然后根据相关的联系进行材料的设计；（2）寻找更好的粒子材料，特别是加强无机—有机复合粒子的研究，使电流变体的屈服应力从现在的1～5KPa/2.5KV提高到10～15KPa/2.5KV以上；（3）电流变添加剂有必要进行深入的研究，以改善电流变体的稳定性并提高屈服应力，这方面的研究是电流变体实用化的关键，值得充分重视；（4）单相均一电流变体有望彻底解决体系的沉降稳定性问题，需要进行更多的研究工作。
我国目前在电流变体材料方面的研究已经取得了一定的成绩，但由于起步晚，投入少，故要取得突破性进展尚待时日，不过，随着我国在此方面的重视程度和研究力度的加大，必将会促进电流变体材料的基础理论和实际应用的迅速发展。
自从电流变体和电流变现象首次报道以来，关于电流变体的研究和探索工作就一直受到人们的普遍关注，并取得了一系列研究成果。
但电流变体材。
