智能材料最新进展及展望
李洁能动管（硕）42班2140803011
摘要：本文综述了智能材料的概念、分类，重点介绍了智能材料的基础材料——压电材料、形状记忆材料的设计思路、特异性能和影响因素。

智能材料的研究内容非常丰富，涉及了许多前沿学科和高新技术，应用领域十分广阔。

智能材料结构系统的研究必将把人类社会文明推向一个新的高度。

关键词：智能材料；压电材料；形状记忆材料；前景
1.智能材料的基本概念及分类
1.1智能材料的基本概念
20世纪80年代中期，人们提出智能材料的概念。

智能材料要求材料体系集感知、驱动和信息处理一体，形成类似生物材料那样的具有智能属性的材料，具有自感知、自诊断、自适应、自修复等功能。

对于智能的定义至今尚无统一的定论，我国科学家认为智能材料是模仿生命系统，能感知环境变化，并能实时地改变自身的一种或多种性能参数，做出所期望的、能与变化后的环境相适应的复合材料或材料的复合。

1.2智能材料的分类
智能材料按产生方式可分为天然智能材料和人工智能材料。

前者主要指有机自然活体，比如肌肉、骨骼等，而后者是人为制造的具有智能功能的材料，因其中大部分受前者的启发而产生，故又称生物拟态材料。

智能材料按驱动方式可分为嵌入式智能材料（主动式智能材料）和本身具有一定智能的被动式智能材料。

前者可以通过改变反馈系统，使其优化反应，能够随不同的条件做出不同的反应，还能够随时间发生变化，因而更加灵活机动，并为今后进一步发展成具有学习和预见能力的材料，促进智能材料向更高级阶段发展奠定了基础。

【1】后者是某些材料结构本身具有随环境、时间改变的性能，例如变色太阳镜等。

2.智能材料的最新进展
2.1压电材料
压电材料是能够实现机械能与电能之间相互转换且具备压电效应的一类电
解质材料。

压电材料的研究其设计思路基于压电效应。

压电效应是指在材料上施加机械力应力时，材料的某些表面会产生电荷，这些现象被称为正电压效应；与此相对应，如对材料的某些表面施加电场，则材料会产生几何变形，此现象被称为逆压电效应【2】正压电效应可将机械能转换成电能，常用作传感器的设计。

相反的，逆压电效应将电能转换成机械能，可用作驱动器的设计。

压电智能材料包括压电陶瓷、压电聚合物和压电复合材料等。

压电材料作为机、电、声、光、热敏感材料，在传感器、换能器、无损检测和通讯技术等领域已获得了广泛的应用。

压电材料虽然具有驱动力大、响应迅速的特点，但是由于压电材料以陶瓷居多，脆性较大，导致材料容易发生破坏。

为解决这些问题，美国国家航天局的Lanley研究中心研究了一种智能型压电纤维复合材料（MFC）。

该材料是由矩形截面的压电纤维与交叉电极相互胶合而成，克服了树脂对纤维和电极的不利影响，扩大了二者的接触面积，显著提高了外电场的利用效率。

2.2形状记忆材料
2.2.1形状记忆合金（SMA）
形状记忆合金是利用应力和温度诱发相变的机理来实现形状记忆功能的一类材料。

其特点是：将已在高温下定型的形状记忆合金，置于低温或常温下使其产生塑性形变，当环境温度升高到临界温度（相变温度）时，合金变形消失并可恢复到定型时的原始状态。

在此恢复过程中，合金能够产生与温度呈函数关系的位移或力，或者二者兼备。

合金的这种升温后变形消失、形状复原的现象称为形状记忆效应（SME）。

形状记忆合金是集“感知”与“驱动”于一体的功能材料。

如果把它复合到其他材料中，就可以形成拥有巨大应用潜力的智能材料。

国外学者普遍认为，形状记忆合金可感知复合材料结构件中裂纹的产生和扩展，并可主动地控制构件的震动，抑制裂纹的延伸和扩展，同时自动改变结构的外形等。

目前已有学者在这方面取得了显著成就。

目前最常见的形状记忆合金是Cu基合金，它不仅成本低，而且热导率极高，对外界温度变化做出反应所需时间短。

但目前性能最好的形状记忆合金是TiNi 合金，其强度、记忆重复性与稳定性等都优于Cu合金，但是其加工难度大、成本高。

目前，科学家们正在研究越来越多的记忆合金，力图找到最优选择。

形状记忆合金具有广阔的应用前景，但是目前其仍存在很多不足，如价格高、机械强度、耐久性等不好，形状记忆只能在加热时从某种形状恢复原始形状，在冷却时却不能恢复到加热前的状态等。

因此对于形状记忆合金的研究还有很长的路要走。

2.2.2形状记忆高分子聚合物
形状记忆高分子聚合物又称弹性记忆材料。

当温度达到特征转变温度时，材料从玻璃态转化为橡胶态，相应的，弹性模量有一大的变化，出现大的形变；随温度增加，材料变得柔顺，因而容易变形；温度下降时，硬化为持续可塑的新形状【3】。

3.智能材料的发展展望
智能化是现代人类文明发展的趋势，要实现智能化，智能材料是不可缺少的重要环节。

智能材料是科学发展的一个重要方向，也是材料科学发展的必然。

智能材料结构是一门新兴的多学科交叉的综合科学。

目前智能材料已经在航天航空飞行器、土木建筑和混凝土、形状记忆合金、控制震动、噪声等方面取得了显著成效。

智能材料系统具有巨大的应用前景和社会效益，尽管关于它的研究尚处在初级阶段，许多方面有待突破，但它的研究可以推动诸多方面的技术进步。

智能材料结构系统的研究必将把人类社会文明推向一个新的高度。

参考文献
【1】陶宝棋主编，智能材料结构。

北京：国防工业出版社，1997.4
【2】高金生，功能材料及其应用手册[M]。

机械工业出版社，1991
【3】郭懋端，范红梅。

智能材料和“智能”材料【A】。

中国材料研讨会【C】。

北京：1994。