智能材料的應(yīng)用及發(fā)展趨勢
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- 1_4097836_智能材料的應(yīng)用及發(fā)展趨勢智能材料的應(yīng)用及發(fā)展趨勢
摘 要�。翰牧系闹悄芑砹瞬牧峡茖W(xué)發(fā)展的最新方向。智能材料的研究主要是依照仿生學(xué)方法, 采用各種先進(jìn)復(fù)合技術(shù), 實現(xiàn)復(fù)雜材料體系的多功能復(fù)合,并最終實現(xiàn)材料智能化和器件集成化。本文介紹了智能材料的種類及國內(nèi)外關(guān)于智能材料的研究現(xiàn)狀，并對智能材料的研究方向和發(fā)展應(yīng)用趨勢進(jìn)行了論述。
關(guān)鍵詞 智能材料 應(yīng)用 發(fā)展趨勢
引言
材料是人類生活和生產(chǎn)的基礎(chǔ)，一般將其劃分為結(jié)構(gòu)材和功能材料兩人類、對結(jié)構(gòu)材料主要要求的是其機械強度;而對功能材料則側(cè)重于其特有的功能，智能材料不同于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)材料和功能材料，它模糊了兩者之間的界限，并加上了信息科學(xué)的內(nèi)容，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)功能化、功能智能化。由智能材料組成的智能結(jié)構(gòu)具備傳感、驅(qū)動和控制二個基本要素，能通過自身的感知，做出判斷，發(fā)出指令，并執(zhí)行和完成動作，實現(xiàn)自檢測、自診斷、自監(jiān)控、自校正自修復(fù)及自適應(yīng)等多種功能。當(dāng)前，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展對材料性能的要求越來越大，材料智能化的概念己極人地影響著人們在材料設(shè)計、制造和應(yīng)用過程中的思維方式，光導(dǎo)纖維傳感技術(shù)、微電子學(xué)技術(shù)、自組裝材料制備技術(shù)以及其他相關(guān)技術(shù)的發(fā)展又給智能材料與結(jié)構(gòu)的研究提供了新的研究手段、打開了更多的想象空間。
1智能材料的研究現(xiàn)狀
智能材料發(fā)展隨著科技、航天技術(shù)、智能化建筑等要求的提高，近年來正不斷快速進(jìn)步。近年來，國際上關(guān)于智能材料的研究和學(xué)術(shù)活動十分活躍；我國對這一新興學(xué)科的研究也十分重視，國家自然科學(xué)基金、航空基金等從1993年起每年都將智能材料列入研究計劃項日，此后的資助強度不斷加大。國內(nèi)己有一批研究單位在該領(lǐng)域的研究達(dá)到國際先進(jìn)水平。
1.1 壓電智能材料
壓電效應(yīng)是指在材料上施加機械力應(yīng)力時，材料的某些表面會產(chǎn)生電荷，這種現(xiàn)象被稱為正壓電效應(yīng)；與此相對應(yīng)，如對材料的某些表面施加電場，則材料會產(chǎn)生幾何變形，此現(xiàn)象被稱為逆壓電效應(yīng)。壓電智能材料包括壓電陶瓷、壓電
聚合物和壓電復(fù)合材料等。而且新一代的壓電材料還具有了條件反射和指令分析的能力。其特征和運轉(zhuǎn)方式類似于人的神經(jīng)系統(tǒng)，可執(zhí)行類似于大腦的指令。壓電材料的這種獨特功能，使其在智能材料系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。
壓電陶瓷，一種能夠?qū)C械能和電能互相轉(zhuǎn)換的功能陶瓷材料，屬于無機非金屬材料。壓電陶瓷具有敏感的特性，可以將極其微弱的機械振動轉(zhuǎn)換成電信號，可用于聲納系統(tǒng)、氣象探測、遙測環(huán)境保護(hù)、家用電器等。壓電陶瓷對外力的敏感使它甚至可以感應(yīng)到十幾米外飛蟲拍打翅膀?qū)諝獾臄_動，用它來制作壓電地震儀，能精確地測出地震強度，指示出地震的方位和距離。壓電陶瓷在電場作用下產(chǎn)生的形變量很小，最多不超過本身尺寸的千萬分之一，別小看這微小的變化，基于這個原理制作的精確控制機構(gòu)——壓電驅(qū)動器，對于精密儀器和機械的控制、微電子技術(shù)、生物工程等領(lǐng)域都是一大福音。
壓電聚合物智能材料，如聚氟乙烯，突出的優(yōu)點是具有低的聲阻抗和介電常數(shù)，柔軟性好，耐擊穿。美國佛羅里達(dá)人學(xué)制成了壓電聚合物傳感器，用以識別盲文書信和小同級別的砂紙，具有接近100%的準(zhǔn)確性，在勘探和目標(biāo)識別中大有前途。日前，壓電材料己成功應(yīng)用于各種光跟蹤系統(tǒng)、自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)、機器人位移定位器、磁頭、噴墨打印機和揚聲器等高科技領(lǐng)域。
1.2形狀記憶智能材料
形狀記憶材料是指具有一定初始形狀的合金在低溫下經(jīng)塑性形變并固定成另一種形狀后,通過加熱到某一臨界溫度以上又可恢復(fù)成初始形狀的一類合金。形狀記憶合金具有的能夠記住其原始形狀的功能稱為形狀記憶效應(yīng)。研究表明, 很多合金材料都具有形狀記憶效應(yīng) ,但只有在形狀變化過程中產(chǎn)生較大回復(fù)應(yīng)變和較大形狀回復(fù)力的,才具有利用價值。到目前為止,應(yīng)用得最多的是Ni2Ti合金和銅基合金(CuZnAl和CuAlNi)。
形狀記憶合金作為一種特殊的新型功能材料,是集感知與驅(qū)動于一體的智能材料,因其功能獨特,可以制作小巧玲瓏、高度自動化、性能可靠的元器件而備受矚目,并獲得了廣泛應(yīng)用。
現(xiàn)在，美國己制造出用形狀記憶合金作為致動器的樹脂基復(fù)合材料夾心結(jié)構(gòu)的“柔性機翼”；該機翼可在各種飛行速度下始終自動保持最佳翼型，大幅度提升飛行效率，可對出現(xiàn)的危險振動自行抑制、形狀記憶合金隨溫度變化而改變其彈性模量，可以作為力學(xué)執(zhí)行器和剛性執(zhí)行器，控制運動和形狀、日本人制成了一種形狀記憶合金，通過對合金加熱收縮來防止裂紋的擴展，用于防止地震等造成的橋梁或大型建筑物的建筑、上木結(jié)構(gòu)的突發(fā)性破壞。美國人在建筑物的合成梁中埋植形狀記憶合金纖維，在熱電控制卜，能像人的肌肉纖維一樣產(chǎn)生形狀和張力的變化，從而根據(jù)建筑物受到的振動改變梁固有剛性和固有振動頻率，減小振幅，使框架結(jié)構(gòu)的壽命大大延長、形狀記憶合金在自動探測和自動控制等方而取得了很大的講展。
1.2光纖智能材料
早在1991年美國就提出智能構(gòu)件“健康”監(jiān)控系統(tǒng)（SHMS）其中的傳感材料就是光纖。人們最初關(guān)心的是光纖維材料的埋入，是否會引起材料層間斷裂韌性的下降或基體材料的損傷。后來的實驗表明，對環(huán)氧復(fù)合材料埋入光纖，并沒有降低拉伸強度和壓縮強度，也沒有引起層間斷裂韌性的降低。
目前，人們使用光纖已制作成各種埋入式復(fù)合材料傳感器，其作用有（1）監(jiān)測復(fù)合材料加工制造過程，隨時報告加工過程中出現(xiàn)的缺陷；（2）監(jiān)測飛行器結(jié)構(gòu)所處的狀態(tài)，隨時報告疲勞和溫度等情況；（3）利用光纖傳感器和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器對結(jié)構(gòu)進(jìn)行在線綜合評估。已試用的光纖傳感器有（1）微彎光纖時域反射分布應(yīng)變傳感器；（2）動態(tài)偏振光纖應(yīng)變傳感器；（3）干涉應(yīng)變傳感器；（4）Bragg Gtrating分布傳感器。與這些傳感器相結(jié)合，發(fā)展了諸如光纖反...
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