十大新材料 | 第一期 智能材料 | 结构功能化、功能多样化

科学家预言,智能材料的研制和大规模应用将导致材料科学发展的重大革命。一般说来,智能材料有七大功能,即传感功能、反馈功能、信息识别与积累功能、响应功能、自诊断能力、自修复能力和自适应能力。

智能材料(Intelligent material),是一种能感知外部刺激,能够判断并适当处理且本身可执行的新型功能材料,是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料,是现代高技术新材料发展的重要方向之一,将支撑未来高技术的发展,使传统意义下的功能材料和结构材料之间的界线逐渐消失,实现结构功能化、功能多样化。科学家预言,智能材料的研制和大规模应用将导致材料科学发展的重大革命。一般说来,智能材料有七大功能,即传感功能、反馈功能、信息识别与积累功能、响应功能、自诊断能力、自修复能力和自适应能力。

智能材料定义

智能材料就是指具有感知环境(包括内环境和外环境)刺激,对之进行分析、处理、判断,并采取一定的措施进行适度响应的智能特征的材料。具体来说,智能材料需具备以下内涵:

(1)具有感知功能,能够检测并且可以识别外界(或者内部)的刺激强度,如电,光,热,应力,应变,化学,核辐射等;

(2)具有驱动功能,能够响应外界变化;

(3)能够按照设定的方式选择和控制响应;

(4)反应比较灵敏,及时和恰当;

(5)当外部刺激消除后,能够迅速恢复到原始状态。

智能材料分类

(1)嵌入式智能材料,又称智能材料结构或智能材料系统。在基体材料中,嵌入具有传感、动作和处理功能的三种原始材料。传感元件采集和检测外界环境给予的信息,控制处理器指挥和激励驱动元件,执行相应的动作。

(2)有些材料微观结构本身就具有智能功能,能够随着环境和时间的变化改变自己的性能,如自滤玻璃、受辐射时性能自衰减的Inp半导体等。

这只是一种比较笼统的分类方法,由于智能材料还在不断的研究和开发之中,因此相继又出现了许多具有智能结构的新型的智能材料。如,英国宇航公司在导线传感器,用于测试飞机蒙皮上的应变与温度情况;英国开发出一种快速反应形状记忆合金,寿命期具有百万次循环,且输出功率高,以它作制动器时、反应时间,仅为10分钟;在压电材料、磁致伸缩材料、导电高分子材料、电流变液和磁流变液等智能材料驱动组件材料在航空上的应用取得大量创新成果。

智能材料研究方向

智能材料的出现将使人类文明进入一个新的高度,但距离实用阶段还有一定的距离。今后的研究重点包括以下六个方面:

(1) 智能材料概念设计的仿生学理论研究

(2) 材料智然内禀特性及智商评价体系的研究

(3) 耗散结构理论应用于智能材料的研究

(4) 机敏材料的复合-集成原理及设计理论

(5) 智能结构集成的非线性理论

(6) 仿人智能控制理论

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。

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