智能材料
智能材料(Intelligent material),是一種能感知外部刺激,能夠判斷并適當(dāng)處理且本身可執(zhí)行的新型功能材料。智能材料是繼天然材料、合成高分子材料、人工設(shè)計(jì)材料之后的第四代材料,是現(xiàn)代高技術(shù)新材料發(fā)展的重要方向之一,將支撐未來高技術(shù)的發(fā)展,使傳統(tǒng)意義下的功能材料和結(jié)構(gòu)材料之間的界線逐漸消失,實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能化、功能多樣化??茖W(xué)家預(yù)言,智能材料的研制和大規(guī)模應(yīng)用將導(dǎo)致材料科學(xué)發(fā)展的重大革命。一般說來,智能材料有七大功能,即傳感功能、反饋功能、信息識(shí)別與積累功能、響應(yīng)功能、自診斷能力、自修復(fù)能力和自適應(yīng)能力。
定義
智能材料還沒有統(tǒng)一的定義。不過,現(xiàn)有的智能材料的多種定義仍然是大同小異。大體來說,智能材料就是指具有感知環(huán)境(包括內(nèi)環(huán)境和外環(huán)境)刺激,對(duì)之進(jìn)行分析、處理、判斷,并采取一定的措施進(jìn)行適度響應(yīng)的智能特征的材料。具體來說,智能材料需具備以下內(nèi)涵:
(1)具有感知功能,能夠檢測并且可以識(shí)別外界(或者內(nèi)部)的刺激強(qiáng)度,如電,光,熱,應(yīng)力,應(yīng)變,化學(xué),核輻射等;
(2)具有驅(qū)動(dòng)功能,能夠響應(yīng)外界變化;
(3)能夠按照設(shè)定的方式選擇和控制響應(yīng);
(4)反應(yīng)比較靈敏,及時(shí)和恰當(dāng);
(5)當(dāng)外部刺激消除后,能夠迅速恢復(fù)到原始狀態(tài)。
智能材料又可以稱為敏感材料,其英文翻譯也有若干種,常用的有Intelligent material,Intelligent material and structure,Smart material,Smart material and structure,Adaptive material and structure等.。
作為一種新型材料,一般認(rèn)為,智能材料由傳感器或敏感元件等與傳統(tǒng)材料結(jié)合而成。這種材料可以自我發(fā)現(xiàn)故障,自我修復(fù),并根據(jù)實(shí)際情況作出優(yōu)化反應(yīng),發(fā)揮控制功能。 智能材料可分為兩大類:
(1)嵌入式智能材料,又稱智能材料結(jié)構(gòu)或智能材料系統(tǒng)。在基體材料中,嵌入具有傳感、動(dòng)作和處理功能的三種原始材料。傳感元件采集和檢測外界環(huán)境給予的信息,控制處理器指揮和激勵(lì)驅(qū)動(dòng)元件,執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。
(2)有些材料微觀結(jié)構(gòu)本身就具有智能功能,能夠隨著環(huán)境和時(shí)間的變化改變自己的性能,如自濾玻璃、受輻射時(shí)性能自衰減的Inp半導(dǎo)體等。
這只是一種比較籠統(tǒng)的分類方法,由于智能材料還在不斷的研究和開發(fā)之中,因此相繼又出現(xiàn)了許多具有智能結(jié)構(gòu)的新型的智能材料。如,英國宇航公司在導(dǎo)線傳感器,用于測試飛機(jī)蒙皮上的應(yīng)變與溫度情況;英國開發(fā)出一種快速反應(yīng)形狀記憶合金,壽命期具有百萬次循環(huán),且輸出功率高,以它作制動(dòng)器時(shí)、反應(yīng)時(shí)間,僅為10分鐘;在
壓電材料、
磁致伸縮材料、導(dǎo)電高分子材料、
電流變液和
磁流變液等智能材料驅(qū)動(dòng)組件材料在航空上的應(yīng)用取得大量創(chuàng)新成果。
一般來說智能材料由基體材料、敏感材料、驅(qū)動(dòng)材料和信息處理器四部分構(gòu)成。
(1)基體材料
基體材料擔(dān)負(fù)著承載的作用,一般宜選用輕質(zhì)材料。一般基體材料首選高分子材料,因?yàn)槠渲亓枯p、耐腐蝕,尤其具有粘彈性的非線性特征。其次也可選用金屬材料,以輕質(zhì)有色合金為主。
(2)敏感材料
敏感材料擔(dān)負(fù)著傳感的任務(wù),其主要作用是感知環(huán)境變化(包括壓力、應(yīng)力、溫度、電磁場、PH值等)。常用敏感材料如形狀記憶材料、壓電材料、光纖材料、磁致伸縮材料、
電致變色材料、電流變體、磁流變體和液晶材料等。
(3)驅(qū)動(dòng)材料
因?yàn)樵谝欢l件下驅(qū)動(dòng)材料可產(chǎn)生較大的應(yīng)變和應(yīng)力,所以它擔(dān)負(fù)著響應(yīng)和控制的任務(wù)。常用有效驅(qū)動(dòng)材料如形狀記憶材料、壓電材料、電流變體和磁致伸縮材料等??梢钥闯觯@些材料既是驅(qū)動(dòng)材料又是敏感材料,顯然起到了身兼二職的作用,這也是智能材料設(shè)計(jì)時(shí)可采用的一種思路。
(4)其它功能材料
包括導(dǎo)電材料、磁性材料、光纖和半導(dǎo)體材料等。
智能材料是一種集材料與結(jié)構(gòu)、智然處理、執(zhí)行系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和傳感系統(tǒng)于一體的復(fù)雜的材料體系。它的設(shè)計(jì)與合成幾乎橫跨所有的高技術(shù)學(xué)科領(lǐng)域。構(gòu)成智能材料的基本材料組元有壓電材料、形狀記憶材料、光導(dǎo)纖維、電(磁)流變液、磁致伸縮材料和智能高分子材料等。智能材料的出現(xiàn)將使人類文明進(jìn)入一個(gè)新的高度,但距離實(shí)用階段還有一定的距離。