智能驱动材料综述

智能驱动材料综述摘要：材料的智能化是未来材料科学发展的重要趋势，而智能材料系统本身是一个范围很广，涉及众多学科领域的交叉综合研究领域。本文从智能材料系统的概念引出了驱动材料的概念，对现今研究最多应用最广的几类驱动材料进行了分类并简述了相关的发展历程、工作原理和实际应用。本文最后对智能驱动材料研究和应用中存在的问题进行了归纳，并对未来的发展进行了展望。关键词：智能材料驱动材料形状记忆材料压电材料电磁流变体电磁致伸缩材料智能高分子材料变色材料1引言20世纪50年代，人们提出了智能结构的概念，当时把它称为自适应系统（adaptivesystem），在智能结构的发展中人们越来越清楚的认识到智能系统的发展离不开一些特殊功能材料的研究与开发，于是智能材料的概念在20世纪80年代应运而生。智能材料要求材料体系集感知、驱动和信息处理于一体，形成类似生物材料那样的具有智能属性的材料，具备自感知、自诊断、自适应、自修复等功能。智能材料来自于功能材料，根据功能材料在系统工作时发挥的作用可分为两类：一类是对外界的刺激强度具有感知作用的材料，统称为感知材料，它们可以制作成各种传感器用于对外界的刺激或者系统工作状态进行信息采集；另一类是对外界环境条件或内部状态发生的变化做出响应的材料，这种材料可以制作成各种执行器。智能材料正是利用上述材料制作成传感器和执行器，借助现代信息技术对感知的信息进行处理并把指令反馈给驱动器，从而灵敏恰当的做出反应。很明显智能材料或智能系统是对生物智能的一种人工模仿，当然目前条件下这种模仿还远没有达到生物智能的水平。智能系统的信息处理器类似于生物体大脑，可由微电子控制技术实现；智能系统的感知器就类似于生物体的神经元，它能对环境或者内部的刺激强度（如应力、应变、热、光、电磁、化学和辐射等）进行感知，目前用作感知器的传感材料形形色色，如声发射材料、电感材料、光导纤维、磁致伸缩材料、压电材料、形状记忆材料、电阻应变材料、光敏材料、湿敏材料、热敏材料、气敏材料等；智能系统的执行器类似与生物体的肌肉，它能在外界或内部状态变化时做出恰当的响应，这种响应可以是力、位移、颜色、频率、数码显示、信息存储等各方面的响应，目前常用作执行器的材料大致包括电流变体、磁流变体、形状记忆材料、电致伸缩材料、磁致伸缩材料、压电材料和某些智能高分子材料等。可以看出执行材料的种类要比感知材料少的多，因此，作为智能材料体系关键组元来说，执行材料的研究和开发是一项重要课题。本文正是基于上述背景，对执行材料目前的研究状况和应用状况做出综述性的介绍，包括各类材料的工作原理、常用材料、现实应用和潜在应用等，并对现今执行材料研究和应用中出现的问题进行了归纳，对未来的发展进行了展望。2智能驱动材料智能驱动材料综述从20世纪80年代人们提出智能材料概念以来，先后有一些学者对材料智能化的可行性进行了论证，此后的实践过程更是给我们展现了智能材料诱人的应用前景。目前智能材料的研究已颇具规模，形成了相对明确的研究体系和研究方法。我们模仿生物智能提出的材料智能化研究始终围绕着自感知、自诊断、自适应、自修复等S特性展开，随着研究方向的细化，此后分化出感知技术、驱动技术、控制技术三方面的研究（如图1所示）。图1智能材料系统图2SMA马氏体相变曲线驱动技术是智能结构实现形状或力学性能等自适应变化的核心问题，也是困扰结构自适应的一个瓶颈。它的作用好比人体的运动系统，可以改变结构的形状、刚度、位置、固有频率、阻尼、摩擦阻力、流体流动速率、温度、电场和磁场等。驱动元件是自适应结构区别于普通结构的根本特征，也是出初级形态走向高级形态的关键。对驱动元件的要求如下：①与主体材料相容性好，具有较高的结合强度。②本身具有较好的机械性能，如弹性模量大、静强度和疲劳强度高、抗冲击等。③频率响应宽、响应速度快、激励后的变形量和驱动力大，且容易控制。针对以上几点要求目前研究较多应用较广的驱动材料大致分为以下几类：压电材料、形状记忆材料、电/磁致伸缩材料、电/磁流变体、某些智能高分子材料和变色材料，如下进行较为详细的介绍。2.1压电材料压电材料是一类具有压电物理特性的电介质。压电效应表现为当某些电介质在一定方向上受到外力的作用而发生变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷，当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变，受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应；相反，当在电介质的极化方向上施加交变电场，这些电介质也会发生机械变形，电场去掉后，电介质的机械变形随之消失，这种现象称为逆压电效应。正压电效应是把机械能转换为电能，常用来制作传感器；逆压电效应是把电能转换为机械能，常用来制作驱动器。2.1.1压电材料的发展和分类1880年，居里兄弟发现了石英晶体存在压电效应后使得压电学成为现代科学与技术的一个新兴领域。材料学及物理学的快速发展使得压电学无论在理论和应用上都取得了长足智能驱动材料综述的进展。第二次世界大战期间，磷酸二氢铵(ADP)、铌酸锂等压电晶体相继被研制出来。1921年，J.Valasek发现了水溶性酒石酸钾钠具有压电性，并在该材料的介电性反常测试中人类历史性地第一次发现材料的铁电性。1941-1949年间，科研人员发现钛酸钡陶瓷具有铁电性能。1947年S.Robert发现BaTiO3的强压电效应，这一发现是压电材料发展史上的一次飞跃。1954年美国Jaff等发现锆钛酸铅(PZT)陶瓷的具有良好的压电性能，PZT系固溶体在多形相界附近具有良好的压电介电性能，机电耦合系数近于BaTiO3陶瓷的一倍。在以后的30年间，PZT材料以其较强且稳定的压电性能成为应用最广的压电材料，是压电换能器的主要功能材料。PZT材料的出现使得压电器件从传统的换能器及滤波器扩展到引燃引爆装置、电压变压器及压电发电装置等。由于以上几种基于PZT/PT研制的压电材料含有大量的铅，制造过程中容易对环境造成污染，国外科研人员开始研制无铅压电陶瓷，如K1-xNaxNbO3、SiBi4TiO16等，但由于无铅材料的机电耦合系数远不如含铅压电陶瓷，并且难以制造，故而无铅压电陶瓷的研制工作还很漫长。1956年B.T.Mattias发现了三硫甘胺晶体的铁电性，为激光和红外技术的广泛应用开打下了坚实地基础。1968年先后发现了硫化锌(ZnS)，氧化锌(ZnO)等压电材料，这些半导体材料的压电性能较弱，有高电压低电流的特性。早期主要应用于压敏电阻领域，近年随着微加工制造技术的发展，该类材料也开始在压电领域崭露头角。1969年日本的Kawai发现了PVDF（聚偏二氟乙烯）以及聚偏二氟乙烯和聚偏三氟乙烯的共聚物的压电性能，PVDF及其聚合物是一化学性能稳定的柔性材料，成型性能良好、耐冲击、弹性柔软性好，可制造大面积薄膜。其声阻抗与水接近，能很好的与水介质匹配，可用来制作频率较高的换能器以及宽频带水听器。但其介电常数小、温度稳定性存在问题，这些缺点都限制着PVDF的应用。20世纪90年代初，美国宾州州立大学在实验室成功地研制出了新型的弛豫铁电单PMNT和PZNT，其应变量为PZT陶瓷的10倍以上，达到1%~7%，机电耦合系数为92%以上，压电电荷系数达到2000pC/N以上。单晶压电材料是材料学领域的一项重大突破，是新一代高效能电声、超声、水声换能器和微位移、微执行器的理想材料。该材料已成为国际铁电学及压电器件领域的一个研究领域。20世纪70年代末，科学家成功研制出了压电复合材料，压电复合材料是把聚合物高分子材料的可加工性和陶瓷的压电性结合起来制备的具有良好性能的复合材料。压电复合材料集各相材料的优点于一体，既克服压电陶瓷自身的脆性，又避免聚合物的温度限制，具有驱动、传感等多种功能。压电陶瓷作为压电活性材料，提供强压电效应，聚合物选用环氧树脂等高分子材料。美国宾州州立大学材料实验室的Newnham等首先开展了这方面的研究工作，通过引入连通性要领研制出了一些性能优越的压电复合材料，促进压电复合材料的发展。压电复合材料作为一种功能材料，其应用主要体现在压电性的应用方面，广泛用于水听器、脉冲－回声换能器、超声成像系统、智能传感器、医学超声、加速度传感器、振动和噪音控制等领域。20世纪80年代研制开发出了玻璃陶瓷，这种材料没有陶瓷材料所固有的老化和极化问题，可制作高温环境下工作的换能器。2.1.2压电材料的分类根据压电材料的发展过程，可以将压电材料分为以下六类：(1)单晶材料，如石英、磷酸二氢氨等；(2)陶瓷材料，如锆钛酸材料、钛酸铅材料；(3)压电半导体材料，如氧化锌等；(4)高分子聚合物，如聚偏二氟乙烯等；(5)复合材料，如PZT/聚合物、PT/聚合物等；(6)玻璃陶瓷，如Li2Si2O5、Ba2TiSiO6等。智能驱动材料综述(1)压电单晶材料为了开发压电材料的新应用，在石英晶体之后，人们又研制出了罗息尔盐、KDP、ADP、EDT、DKT和LH等多种压电晶体。但是由于它们的性能往往存在某种或某些缺陷，例如罗息尔盐易水解等，所以随着人造石英的大量生产和压电陶瓷性能的提高，这些晶体现在大多已基本上不用了。现在石英晶体仍是最重要，也是用量最大的振荡器、谐振器和窄带滤波器等频控元件的压电材料。除了石英之外，性能好并且使用量大的压电晶体是铌酸锂(LiNbO3)和钽酸锂（LiTaO3），它们大量地用作SAW(声表面波)器件，例如SAW滤波器、振荡器、延迟线以及SAW相关器和卷积器等。(2)压电陶瓷材料如前所述，BaTiO3是最早发现的压电陶瓷，早在1949年日本就研究利用它的压电性设计鱼群探测器，其最大的缺点是谐频温度特性差但是用Pb和Ca等元素部分地取代BaTiO3中的Ba，可以改进BaTiO3陶瓷的温度特性，故在广泛使用PZT压电陶瓷的今天，仍有部分压电换能器采用改性的BaTiO3压电陶瓷像BaTiO3那样的单元系压电陶瓷，还有PbTiO3和PbZrO3等。PbTiO3陶瓷是一种钙钛矿结构的材料，它具有居里温度高(490℃)、各向异性大(c/a=1.064)和介电常数小(ε=200)等特点。另外，它的谐频温度特性也比较好，并且频率常数比PZT高，所以是一种很有前途的高温高频压电材料。但是用常规方法很难获得致密的纯PbTiO3压电陶瓷，因为PbTiO3陶瓷烧结后，冷却到居里点(490℃)时易出现微裂纹，甚至破碎。所以人们往往采用引入添加物的方法对其进行改性。现在用Mn、W、Ca、Bi、La和Nb改性的PbTiO3陶瓷，都具有良好的压电性能，是生产高频压电滤波器的优良材料。锆钛酸铅压电陶瓷简称PZT陶瓷，是压电陶瓷材料中用得最多最广的一种PZT的机电耦合系数高，温度稳定性好，并且有较高的居里温度(300℃)用Sr、Ca、Mg等元素部分地取代PZT中的Pb，或者是通过添加Nb、La、Sb、Cr、Mn等元素来改性，可以制成许多不同用途的PZT型压电陶瓷，如PZT-4PZT-5PZT-6PZT-7和PZT-8等PZT陶瓷的出现，是压电陶瓷发展史上新的里程碑，其大大提高了压电陶瓷的性能并扩大了其应用范围。除了PZT之外，二元系压电陶瓷还有(Pb，Ba)NbO3(Na，K)NbO3和(Na，Cd)NbO3等，都是比较适用的压电材料.PZT压电陶瓷不断改进，逐渐趋于完美。以锆钛酸铅为基础，用多种元素改进的三元系、四元系压电陶瓷也都应运而生目前发展比较成熟的三元系如：PMN-PZT、PMN-PZN-PT，四元系如：PMN-PZN-PZT、PLN-PMN-PZT、PZN-PNN-PZT多元系压电陶瓷能够弥补低元系陶瓷性能单一的缺陷，具备压电、介电和机械性能比较全面的优点，应用领域更加广泛、大功率压电陶瓷材料是以高机械品质因数(Qm)机电耦合系数(Kp)和低介电损耗(tanδ)等为特征的综合性能优越的压电陶瓷，在近些年成为压电陶瓷材料领域里研究的热点之一。(3)压电半导体材料近年来出现了多种压电半导体,如硫化锌(ZnS)、碲化镉(CdTe)、氧化锌(ZnO)和硫化镉(CdS)等，这些压电材料的显