第六章智能材料

第六章智能材料人类社会历史的发展和材料的进步密切相关。石器时代→青铜器时代→铁器时代→合成材料时代→机敏/智能材料时代。材料研究发展的高级阶段─智能材料（系统）。功能材料的种类到目前为止有约40万种，并且每年以5%的增长速度递增。人类社会对材料的要求是无止境的，不仅要求功能材料种类多，而且要一种材料尽可能同时具有多种功能，这样可以降低整个结构所占有的空间和体积，还可以减轻重量。这种多功能的材料称为机敏材料（SmartMaterials）。如果机敏材料具有生命形式所特有的智能材料。由于这种材料不是过去常见的单一的﹑简单的组织结构，因此常常称之为智能材料系统。最早提出智能材料（系统）概念的是美国VirginiaTech(州立大学和工学院)的教授CraigRogers，他于1988年9月在美国首次组织了“SmartMaterials,StructureandMathematialIssue”学术会议，并于1989年创建了“JournalofIntelligentMaterialsSystemandStructure”国际刊物。关于智能材料的定义有许多观点，日本的T.Takagi博士认为，智能材料是能够根据所处环境的变化，使自身功能处于最佳状态的材料。中国科学院院士师昌绪认为，机敏材料就是具有完全感知（sensing）和驱动（actuating）功能的材料。智能材料是机敏材料再加上控制功能，如把压电陶瓷在集成电路上进行涂层就可能达到这种要求。智能材料（系统）的研究各发达国家都十分重视，国际研讨会几乎年年举行。我国机敏材料专家姚熹在机敏材料研究方面卓有成效。一、生物拟态学（biominetics）的启示。仿生学已有悠久的历史。早期飞机就是模仿蜻蜓飞行设计的。但人类研究材料史上模仿人体生物材料的历史却是不久的事。主要原因是当时人类制造材料及其他科学技术水平太低。现在人类已能够设计制造高性能的结构材料，功能材料，机敏材料，并且在不同尺度上制造材料（如纳米级、分子级等）。现在计算机技术，超大规模集成电路的进步，都为发展仿生材料奠定了基础。1、骨骼的多功能医学分析表明，骨骼只有二相物质，包含有可弯曲的胶原蛋白和脆性的羟磷灰石（hydroxyapite）。它不仅起骨架的动态平衡定位，而且提供矿物质动态自动平衡。并有肌肉附着其上可以在骨骼之间形成活动连接。矿物质平衡调节主要是提供一定浓度的矿物离子进入组织液和血浆中。此外，骨头和它的骨髓之间存在关键的相互作用。骨骼另外一个功能就是在微观结构上能适应环境的变化。从结构上看，骨骼是中空的，重量轻，有致密结实的部分，在与其他骨骼接触处是多孔的接头，形成活动连接，从而形成高效率力的传递机构。具有方向性的孔隙允许血液进入而没有严重降低骨骼的强度。骨骼还可以在保证骨架动态平衡条件下，抵抗载荷，恢复和再生骨骼。骨骼的再生过程可能与骨骼的多孔结构中的各种渠道相关。通过它们进行体液补充。在调节体液循环上，骨骼是钙、磷、镁离子的储藏库。当早晨缺钙状态时，钙离子不断从骨骼中进入血浆中。显然，骨骼确实是一种多功能的生物材料。补Ca用品龙牡壮骨冲剂维生素A、D、钙奶天狮人类与Ca神经传递骨质增生2、皮的研究解剖学研究表明，动物或人的皮是一种多功能结构的智能生物材料的典型之一。皮是坚韧的，可弯曲变形自修复层状组织。它含有传感神经，可防水，可阻止化学物质或细菌进入体内，能够进行分泌和隐藏物质，防止体液溢出体表，帮助进行体温的调节，具有防止紫外辐射等意外损伤的功能。研究表明，要完成这样多功能的任务，皮的材料结构是十分复杂的。皮实际上是一种复合材料，它含有三层，最外层是表皮，然后是真皮（dermis）,最一层是皮下组织（hypodermis）。表皮只有0.0127cm（0.005英寸），依靠真皮支持。真皮是纤维层，比表皮厚20—40倍，位置不同厚度也不同。皮下组织比其他二层都厚，含有脂肪细胞，这些脂肪层可以起热绝缘作用，使皮肤具有一定形状，对外部冲击起缓冲和耗能的作用，可以说是整个机体一个贮能点。外表层的表面含有一层角质的细胞层。角质是防水的韧性蛋白质。这些细胞以一定取向分布在真皮的边界。这些细胞生长达到表面30天左右便死去。后来的继续生长细胞代替它们。角质不仅保证皮的外表面是韧性的，同样防止体液通过表皮扩散。真皮从结构上看含有胶原蛋白质纤维，使皮柔软，有一定强度和韧性。这些纤维是密排的，分布在与皮下组织相邻的内表面。但与表皮相邻的真皮上部分布不是致密的。在胶原纤维之间的空隙中充满了复杂结构的血管，神经末梢、汗腺、发根和负责治愈皮肤损伤的非晶态材料。真皮同样含有无数的敏感神经末梢，他们负责传递疼痛、温度、痒、压力和触觉。所有这些传感器都是机械接收器。但是其形式却是不完全一样。例如，触觉接收器是球形的，而且在手指和手掌的神经末梢特别密。除了传感作用以外，真皮还有大量的极微小的血管，为皮肤生长提供营养并可调节机体的热损失。方法是控制通过这些窄小管子的血流量。例如，当皮肤处于低温的时候，机体降低皮肤的温度，通过收缩这些微血管的直径来限制温暖的血通过这些表面微血管的量。真皮还有第二种冷却机构。这与汗腺排泄稀盐溶液有关。外分泌腺是很细小的管道，在表皮处形成极小的孔。通过蒸发排泄汗来降低机体温度。火箭上用的发汗材料就是这个原理。不同类别的汗腺负责排泄不同的体内废物，如尿素、皮脂、乳酸等。皮下组织层由水膜和脂肪基的物质组成防止皮肤脱水。这一层还起到防止异物、有害细菌、病毒和霉菌进入皮肤内部的作用。通过上述分析可以看出，皮这种智能生物材料是一种复杂的复合结构，包括调节执行系统、传感系统和控制系统。3、生物结构的特征骨骼、皮等智能生物材料，在长久的进化过程中取得最佳值。自然界利用有限的物质--各种糖类和蛋白质，创造了各种各样的复杂结构，即微观结构是十分复杂和精细的。正是精细的生物“加工方法”造就了适应范围广泛的材料结构系统（例如，在极高和极低的温度下，以及不同的压力条件下，材料适应环境所需要的力学和物理性能）。人类一直在寻找韧性材料，但一直未获完全成功。生物材料的微观组织和性能关系的研究为材料合成技术提供了许多新的思想。例如，研究发现，尽管是同一种材料，但其组织、形态差异很大，有的可能提供极高的力学性能。这提示我们应该注意控制材料之间的相互作用。同样是氨基酸和多糖类，可制造出性能差异极大的软的皮、韧得腱、硬的壳。生物材料一般具有延展性，较高的抗断裂和剪切的性质，这主要来自胶原蛋白和可从新定位（相对于未变形态）弹性纤维。在裂纹尖端具有许多这种纤维阻止裂纹扩展。同时胶原蛋白和弹性纤维在裂纹尖端形成—“圆尖”过渡，减小其剖面的尖锐程度。二、智能材料的功能1、机敏材料的发展近一个世纪以来，材料研究出现两次大的突破，第一次是着力发展新一代的结构材料。第二次突破是功能材料的发展，既集中研究材料在科学技术中的功能特征，而不是材料固有的结构性能。光电子材料、能源转换材料、超导材料等功能材料都是近几十年材料研究的重大成就。另外，迅速发展的计算机科学，使得以硅芯片为特征的大规模集成电路成为可能，研究者不是开发电路的强度，而是研究硅传递电信号和它的物理性能。微型处理器使用的材料不只是硅，还有砷化镓及其他有机材料等。多功能材料就是同时具有几种功能的材料，机敏材料就是多功能材料。按照英文原文是具有智慧机警的意思（mentaialterness）。智能材料是比机敏材料更高级的材料（据说高一个数量级）。2、智能材料最基本的功能智能材料必须同时具有三项最基本的功能：传感（sensing）、调节功能（actuation）、加工处理（processing）。与这三项功能潜在联系的是必须同时具有能量转换机制、信息传递机制。这些都涉及到分子、原子尺度上的物理、化学概念的变化。传感器功能即智能材料能够自身探测和监测外部环境条件的变化。加工处理功能在于评估已探测到的信息，并利用已有记忆资料，做出有判断的协调一致的反应。这个反应靠调节器执行。为完成这一切功能，必须有能源供应。因此，智能材料必须有能量转换机制，可以从外部环境或自身物理化学过程传递能量。智能材料设计制造者必须考虑从晶体结构、分子结构、电子结构和晶界方面的变化来完成这些功能。所谓智能材料就是同时具有感知功能即信号感受功能，自己判断并自己作出结论的功能和自己指令并自己执行行动的功能的材料。感知、信息处理和执行功能是智能材料必须具备的三个基本要素。智能材料的特征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（Sensor）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（Feedback）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（Self-diagnosis）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（Self-recovery）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（Self-adjusting）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。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，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，以轻质有色金属为主。（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）其他功能材料包括导电材料、磁性材料、光纤和半导体材料等。智能材料的分类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（磁场）导伸缩材料等。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和形状记忆复合材料两大类；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，作为智能材料的刺激响应性高分子凝胶的研究和开发非常活跃，其次还有智能高分子膜材、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。