淺析智能材料的研究進展

李璇

（湖南省長沙市雅禮中學，長沙 410007）

淺析智能材料的研究進展

李璇

（湖南省長沙市雅禮中學，長沙 410007）

智能材料的概念是在20世紀80年代提出來的，它是一種集感知、驅動和信息處理于一體的新型多功能材料，通過識別和處理外界變化進行相應的改變，以達到和外界環境相協調的目的。智能材料主要包括智能傳感、智能驅動和智能控制技術等。

智能材料；研究進展；分析

1　智能材料的關鍵技術

1.1智能傳感技術

智能傳感技術對于智能材料的研究和發展至關重要，它是實現智能結構的基礎技術。傳感元件是傳感技術的一種載體，通常被粘貼或者嵌入到智能材料的表面及內部，用于識別外界環境的變化。其作用和人的神經系統類似，將識別到的聲、光、電和磁等物理量轉化為另一種物理量。它是材料實現智能化的一種基礎元件，就像一種生物感應器，將感知到的外界信息記錄起來，并做出合適的回應。傳感元件具有體積小、兼容性好和性能穩定的特點，由于元件較薄，嵌入后對材料的影響小，因此其抗干擾能力較其他材料強。

1.2智能驅動技術

驅動技術是智能材料實現自適應變化的一個核心問題，也是一個至關重要的瓶頸。它包括驅動元件和控制方式等，是能夠使智能材料結構與環境相適應的功能性原件，其自適應結構和普通結構不同，原理和人的肌肉類似，能夠改變結構的位置、摩擦阻力和溫度等特征。驅動元件具有與主體材料兼容性好、機械靈活性強和頻率響應快的特點，它的結合強度十分高，抗沖擊能力強，變形量和驅動力大，控制性也很強。驅動元件就好像變色龍，能夠根據外界環境的變化，做出相應的改變。

1.3智能控制技術

智能控制系統是智能材料結構中的一個重要組成部分，包括控制性元件、控制性策略和相關算法等，作用就好比人類的大腦，有著核心中樞的功能。智能結構系統是一種非線性系統，具有不確定性和實時變化性，系統能夠形成一種控制自身的規律，并能夠快速處理相關的控制優化過程，具有很強的在線性。其中控制元件全部集中在結構里，控制對象是其自身。經典控制理論和現代控制理論在面對智能結構的特征時，都顯得很無奈。而傳統的控制系統相關模式被智能結構的控制所打破，對控制器自身的研究更加深入，進而提高控制器的智能水平，使結構系統的自適應力增強，使控制效果更加明顯。

2　智能控制主要基礎材料的分析

不同的材料在智能系統工作時發揮的作用不同。隨著對智能材料研究的不斷深入，基礎材料的種類也在不斷豐富。根據智能系統工作的原理，智能材料可以分為兩種，一種是感知材料，例如形狀記憶材料和智能高分子材料等，具有識別外界環境刺激的作用，能夠采集并記錄外界環境的信息，這類材料可以用于制作智能系統中的傳感器。另一種是響應材料，例如發射材料、電感材料、壓電材料等，能夠通過感應材料對外界環境的識別和感知做出相應處理，這種響應包括儲存、改變顏色、改變位置等，這類材料可以用于制作智能系統中的執行器。

2.1形狀記憶材料

形狀記憶材料是指材料自身對初始特性具有記憶功能的一種特殊材料，當材料的形變固定后，要經過高溫或其他特殊刺激處理才能夠恢復原來的特性。這種材料包括記憶合金、記憶高分子等。形狀記憶合金的記憶功能是利用應力和溫度誘發記憶，變形溫度是低溫或常溫，材料變形后要經過加熱處理才能夠漸漸恢復原本定型時的狀態。通常將這種具有加熱恢復特性的材料叫作形狀記憶合金，將這種現象叫作形狀記憶效應。用形狀記憶合金制作的驅動器具有很多特殊性能，例如類橡皮特性、形狀記憶效應等。形狀記憶高分子相對來說形變量大，在抗腐蝕方面也有較好性質。

2.2壓電材料

壓電材料的力學性能與外加電壓的大小呈線性關系。壓電材料的響應速度快，其輸入輸出都是通過電信號完成，在控制和測量方面更加便利，具有正逆壓電效應，材料加工起來相對容易。壓電陶瓷和壓電高分子都是這種材料的載體，在壓電陶瓷中使用最廣泛的是醋欽酸鉛，常用于啟動元件和敏感元件。我們所熟知的呼吸機、定時器、氣壓計和擴音器都離不開壓電陶瓷。醋欽酸鉛在壓電態到非壓電態轉變過程中所需的溫度較低，溫度變化范圍較小，科學家正在研究高溫條件下醋欽酸鉛的材料應用。

2.3智能高分子材料

隨著生物研究的不斷深入，人類已經認識到生物體內的類水凝膠結構。從這種結構出發，人們開始探索生物智能材料。當生物體內的組織受到化學或者溫度因素的影響，其形狀就會發生相應的變化，從而表現出相關特性。而智能高分子材料是通過一系列化學方法的合成，使材料具有生物智能材料的特點，例如自我修復、自動識別外界環境等特性。利用這種特性我們可以制作人工肌肉、超微纖維光纖傳感器等特殊材料。我們有理由相信，未來智能材料的應用和研究一定會將人類社會帶入更高階段。

［1］ 郭保全，侯宏花，潘玉田.智能材料和結構的應用及展望［J］.科技情報開發與經濟，2005，（06）：45.

［2］ 裘進浩，邊義祥，季宏麗，等.智能材料結構在航空領域中的應用［J］.航空制造技術，2009，（03）：32.

［3］ 殷青英，翁光遠.智能材料在結構振動控制中的應用研究［J］.科技導報，2009，（12）：87.

［4］ 陳永光.電流變減震器理論與實驗研究［D］.重慶：重慶大學，2002.

［5］ 陳兵，姚武，吳科如.機敏水泥基復合材料研究進展［J］.材料導報，2003，（01）：59.

Research Progress of Smart Materials

LI Xuan
（Changsha Yali Middle School ofHunan Province,Changsha 410007,China）

The concept of smart materials was put forward in the 1980s；it is a new multi-functional material that integrates perception,drivers and information processing.It can achieve the purpose of outside environmental coordination by identifying and dealing with changes of the outside world.Smart materials mainly include smart sensing，smart drive and intelligent control technology.

Smart materials；Research progress；Analysis

TM27

A

1674-8646（2015）12-0093-02

2015-08-18