智能材料在計算機和微電子領(lǐng)域的應用和發(fā)展

【摘要】 概述智能材料的內(nèi)涵與結(jié)構(gòu)的基本特性、研究內(nèi)容及應用前景，并介紹了幾種智能材料的結(jié)構(gòu)和研究新進展。

【關(guān)鍵詞】 智能材料;結(jié)構(gòu);新進展

近年來，國際上關(guān)于智能材料的研究和學術(shù)活動十分活躍，我國對這一新興學科的研究也十分重視，國家自然科學基金、航空基金等從1993年起每年都將智能材料列入研究計劃項目。將對智能材料的設(shè)計原理和幾類智能材料的發(fā)展狀況作概括介紹。

一、智能材料及其結(jié)構(gòu)概述

智能材料是模仿生命系統(tǒng)、能感知環(huán)境變化并能實時地改變自身的一種或多種性能參數(shù)、自身可作出所期望的能與變化后的環(huán)境相適應的、自我調(diào)整的復合材料或材料的復合。它是同時具有感知功能即信號感受功能(傳感器功能)、自己判斷并自己作出結(jié)論的功能(情報信息處理機功能)和自己指令并自己行動的功能(執(zhí)行機構(gòu)功能)的材料(感知、反饋、響應是其三大基本要素)。

智能材料與結(jié)構(gòu)涉及到三個概念:智能材料、智能器件和智能結(jié)構(gòu)。智能材料包括感知材料和驅(qū)動材料。感知材料是一類對外界或內(nèi)部的應力、應變、熱、光、電、磁、輻射能和化學量等參量具有感知功能的材料，用它們可以制成各種傳感器件;驅(qū)動材料則是能對環(huán)境條件或內(nèi)部狀態(tài)變化作出響應并執(zhí)行動作的材料，用它們可以制成各種驅(qū)動器件。

智能結(jié)構(gòu)則是由材料和器件所構(gòu)成的，集傳感、信號處理、控制和驅(qū)動于一體的材料系統(tǒng)或結(jié)構(gòu)體系，它能感知環(huán)境或內(nèi)部參量，進行信息處理，發(fā)出指令，執(zhí)行并完成動作，從而實現(xiàn)自診斷、自修復和自適應等多種功能。智能材料與結(jié)構(gòu)具有敏感特性、傳輸特性、智能特性和自適應特性這四種最主要的特性以及材料相容性。

二、幾種智能材料研究的發(fā)展

智能材料的基本組元有:光導纖維、壓電材料、電磁流變體、形狀記憶合金、磁致伸縮材料、各類半導體敏感材料和高分子智能材料，所有這些都在智能材料和系統(tǒng)中有著廣泛的應用。以下介紹幾種智能材料研究的新進展:

1.磁致伸縮材料

目前磁致伸縮智能材料的主流是稀土磁致伸縮材料，稀土超磁致伸縮材料是近期才發(fā)展起來的一種新型功能材料。這種材料在電磁場的作用下可以產(chǎn)生微變形或聲能，也可以將微變形或聲能轉(zhuǎn)化為電磁能。對于磁致伸縮智能材料的應用，目前美國位居各國之首，其成功標志在于開發(fā)出了一系列用于軍事目的的尖端產(chǎn)品，如美國已成功地將其應用于艦艇水下聲納探測系統(tǒng)以及導彈發(fā)射控制裝置等。

但是我國對磁致伸縮智能材料新產(chǎn)品的開發(fā)還處于起步階段，也已呈現(xiàn)出良好的發(fā)展勢頭。如中國長江水利委員會應用這種材料，開發(fā)出了大功率巖體聲波探測器，應用于三峽工程和地球物理勘探;遼河油田應用這種材料，開發(fā)出了井下物理法采油裝量;東北大學和大連理工大學應用這種材料，擬在進給和精密定位方面進行聯(lián)合開發(fā)。

2.磁流變材料

磁流變材料是由懸浮于載體液中的可磁化粒子構(gòu)成，它是一種新型的智能材料，在建筑結(jié)構(gòu)防震和機械振動控制領(lǐng)域有較大的應用前景。在外加磁場作用下，磁流變裝置能產(chǎn)生連續(xù)可控的阻尼力對振動系統(tǒng)的振動特性進行控制。由于磁流變阻尼器具有優(yōu)良的可控阻尼性能，在建筑結(jié)構(gòu)、車輛工程和機械工程中都有重要的應用價值。曾有人預言，在汽車工業(yè)上，21世紀將是磁流變液的世紀。

3.壓電材料

壓電智能材料可以將壓強、振動等迅速轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柣驅(qū)㈦娦盘栟D(zhuǎn)變?yōu)檎駝有盘枺簿褪钦f壓電材料在外電場的作用下可以產(chǎn)生微小變形，也可以將微小變形轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴Ｇ倚乱淮膲弘姴牧线€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)中具有廣闊的應用前景。

(1)壓電陶瓷驅(qū)動器。由于壓電陶瓷具有把電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的能力，當應用系統(tǒng)通電給壓電陶瓷時，使材料的自發(fā)偶極矩發(fā)生變化，使材料的尺寸發(fā)生改變，這種效應能產(chǎn)生200～300的微應變，據(jù)報道，88層的壓電陶瓷片做成的驅(qū)動器可在20ms內(nèi)產(chǎn)生50μm的位移，響應速度之快是其它材料所無法比擬的，是高精度、高速驅(qū)動器所必須的材料，已應用在各種跟蹤系統(tǒng)、自適應光學系統(tǒng)、機器人微定位器、磁頭、噴墨打印機和揚聲器等。

(2)壓電傳感器。由于壓電材料對于所加應力能產(chǎn)生可測量的電信號，在高智能材料系統(tǒng)中可用做傳感器。PVDF壓電陶瓷的壓電性比石英高3～5倍，壓電系數(shù)值更高，并且可以做得很薄，可貼在物體表面，非常適合做傳感器。在機器人上做觸覺傳感器可感知溫度、壓力，采用不同模式可以識別邊角、棱等幾何特征。同時這種材料具有熱釋電效應，可用作溫度傳感器。科學家最近研制成功一種壓電晶體，如果將其放入壁紙中，就可以大大減小冰箱或空調(diào)機的噪聲，給住戶創(chuàng)造了一個安靜的居住環(huán)境。

4.形狀記憶合金

一般金屬材料受到外力作用后，首先發(fā)生彈性變形，達到屈服點，就產(chǎn)生塑性變形，應力消除后留下永久變形。但有些材料，在發(fā)生了塑性變形后，經(jīng)過合適的熱過程，能夠回復到變形前的形狀，這種現(xiàn)象叫做形狀記憶效應(SME)。具有形狀記憶效應的金屬一般是兩種以上金屬元素組成的合金，稱為形狀記憶合金(SMA)。目前已開發(fā)成功的形狀記憶合金有TiNi基形狀記憶合金、銅基形狀記憶合金、鐵基形狀記憶合金等。形狀記憶合金的具體應用如下:

(1)工業(yè)應用。a.利用單程形狀記憶效應的單向形狀恢復。如管接頭、天線、套環(huán)等。b.外因性雙向記憶恢復。即利用單程形狀記憶效應并借助外力隨溫度升降做反復動作，如熱敏元件、機器人、接線柱等。c.內(nèi)因性雙向記憶恢復。即利用雙程記憶效應隨溫度升降做反復動作，如熱機、熱敏元件等。但這類應用記憶衰減快、可靠性差，不常用。d.超彈性的應用。如彈簧、接線柱、眼鏡架等。

(2)醫(yī)學應用。TiNi合金的生物相容性很好，利用其形狀記憶效應和超彈性的醫(yī)學實例相當多。如血栓過濾器、脊柱矯形棒、牙齒矯形絲、腦動脈瘤夾、接骨板、髓內(nèi)針、人工關(guān)節(jié)、避孕器、心臟修補元件、人造腎臟用微型泵等。

5.光纖基礎(chǔ)智能材料

光導纖維具有感知和傳輸雙重功能，具有直徑小、柔韌性好、質(zhì)量輕、抗電磁干擾、傳輸頻帶寬、可埋入性好、便于波分、時分復用和可進行分布式傳感等優(yōu)點，可用于制作各種傳感器，測量溫度、壓力、位移、應力、應變等多種物理量并具有極高的靈敏度。因此光纖已成為當前智能材料與結(jié)構(gòu)研究中首選的信息傳感及傳輸載體，光纖傳感技術(shù)則成為智能材料與結(jié)構(gòu)的技術(shù)基礎(chǔ)之一。

三、未來熱點應用

智能材料與結(jié)構(gòu)發(fā)展異常迅速，雖然還是一個不成熟的領(lǐng)域，但由于應用迫切，其應用研究與基礎(chǔ)研究并行發(fā)展。作為一種新技術(shù)，它在航空航天、國防軍事、建筑、紡織、醫(yī)學、汽車等部門都有著廣闊的發(fā)展前景，其未來熱點應用主要集中在以下幾個方面:

(1)仿生學和航空航天。隨著智能材料與結(jié)構(gòu)的發(fā)展“，個人航空器”取代汽車已不再是科幻小說。目前已存在可調(diào)機翼的飛機，但像生命有機體一樣可以伸縮和有反應能力的飛機和航天器將是研究的熱點。

(2)智能傳感器。隨著智能材料和人工智能技術(shù)特別是微型計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，智能傳感器將在各個高新技術(shù)領(lǐng)域得到應用。目前研制的智能材料傳感器如光纖傳感器、壓電傳感器、微芯片傳感器等在各領(lǐng)域的應用已經(jīng)取得一定成效，未來的智能材料傳感器應具有更強大的功能。如:傳感器自身能消除異常值和例外值，提供更全面、更真實的信息;除了自適應和自調(diào)節(jié)功能外，還有一定的智能算法及自學習功能;可通過數(shù)字通信接口而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化和遠程控制等。

(3)智能化住宅。智能材料的發(fā)展，特別是毫米塑料設(shè)想的提出，使智能化住宅的夢想離現(xiàn)實越來越近。可任意改變顏色的墻壁，根據(jù)人體需要可隨時調(diào)節(jié)溫度的水流，隨著季節(jié)變化可控溫度和濕度的房屋，所有的電器都是觸摸式的，永遠不會再有觸電的危險，地震后房屋可以自動修復……這種理想的智能化住宅將顯著提高人們的生活質(zhì)量。

20世紀是機電學的時代。傳感——集成電路——驅(qū)動是最典型的機械電子控制系統(tǒng)，但復雜而龐大，形狀記憶材料兼有傳感和驅(qū)動的雙重功能，可以實現(xiàn)控制系統(tǒng)的微型化和智能化，如全息機器人、毫米級超微型機械手等。21世紀將成為材料電子學的時代。形狀記憶合金的機器人的動作除溫度外不受任何環(huán)境條件的影響，可望在反應堆、加速器、太空實驗室等高技術(shù)領(lǐng)域大顯身手。

參考文獻

[1]余海湖.智能材料與結(jié)構(gòu)的研究及應用[J].武漢理工大學學報.2001

[2]程顯文.智能材料在土木工程中的應用[J].工程與建設(shè).2006

[3]張煦.通用汽車在智能材料技術(shù)應用領(lǐng)域取得新突破[J].技術(shù)縱橫輕型汽車技術(shù).2007

[4]劉小峰.神奇的智能材料[J].科技視野.2007

[5]張金升.智能材料的應用綜述[J].山東大學學報.2002