智能材料研究进展及应用综述

作者:白子龙 刊名:军民两用技术与产品 上传者:李学明

【摘要】一、智能材料的特点及分类智能材料(Intelligent/SmartMaterial)是自20世纪90年代开始迅速发展起来的一类新型功能材料;其集仿生、纳米技术及新材料科学于一身;是21世纪最具有发展潜力的前瞻性研究领域之一;与传统材料不同;智能材料不仅仅以单一的材料形式存在;而是以某一智能化体系方式存在;由此给出智能材料的定义是:由多种材料组元通过有机紧密复合或严格的科学组装而构成的材料系统;

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一、智能材料的特点及分类智能材料(Intelligent/Smart Material)是自20世纪90年代开始迅速发展起来的一类新型功能材料,其集仿生、纳米技术及新材料科学于一身,是21世纪最具有发展潜力的前瞻性研究领域之一。与传统材料不同,智能材料不仅仅以单一的材料形式存在,而是以某一智能化体系方式存在。由此给出智能材料的定义是:由多种材料组元通过有机紧密复合或严格的科学组装而构成的材料系统。因此,智能材料必须具备感知、驱动和控制这3个基本功能要素。特殊的结构特征使得智能材料能够对环境条件及内部状态的变化做出精准、高效、适当的响应,同时还具备传感功能、信息存储功能、反馈功能、响应功能、自诊断功能和自修复能力(见图1)等特征。智能材料按照功能结构划分主要分为新型功能性材料、功能转化材料及新型结构材料三大类。根据智能材料的功能特征,可将其分为感知材料和响应/驱动材料两大类,如图2所示。感知材料对外界的刺激具有感知作用,可用于制造传感器,其可感知外界环境刺激并以此进行信息采集。感知材料种类繁多,包括电感材料、光敏材料、湿敏材料、热敏材料、气敏材料、光导纤维、声发射材料、形状记忆材料、磁致伸缩材料、压电材料、电阻应变材料等。响应/驱动材料可对外界环境条件或内部状态发生的变化做出响应或驱动,可用于制造执行器。智能系统的执行器类似于生物体的肌肉,它在外界或内部状态变化时做出相应的响应,这种响应可以表现在力、位移、颜色、频率、数码显示、信息存储等各方面。可用作执 行器的材料包括形状记忆材料、压电材料、电流变体、磁流变体、磁致伸缩材料、电致伸缩材料和某些智能高分子材料。二、智能材料研究进展智能材料拥有很多普通材料不具备的特殊功能,现已逐步成为研究的重点与热点,并且在物理、化学、电子、航空航天、生物医学等领域得到广泛应用。近些年来,形状记忆材料、自修复材料、光热敏感材料、压电材料等引起了人们的广泛关注。(一)形状记忆合金的应用领域不断扩大形状记忆合金(SMA)是一种具有“记忆”效应的合金,其可以在加热升温后完全消除在较低温度下发生的变形,恢复变形前的原始形状。形状记忆合金由于具有优异的性能而被广泛应用于日常生活中,以及航空航天、机械电子、生物医学、桥梁建筑、汽车工业等领域。2016年11月,受铁定甲虫拥有强壮的外骨骼启发,英国BAE系统公司开发出一种新型车用悬挂系统,该悬挂系统采用镍钛记忆合金制成,可保护军用车辆免受爆炸等恶劣作战环境的影响。传统的悬挂系统采用弹簧减震,BAE的新型悬挂系统可完美替代旧式悬挂,并且在爆炸环境下可恢复原状。BAE目前已开发出记忆合金悬挂系统的原型,该原型已通过5次爆炸测试。新型悬挂系统拥有的出色防爆特性源于形状记忆合金的高强韧材料结构,该系统声发射材料电感材料智能材料……感知材料响应/驱动材料电流变体磁流变体自组装材料可自愈材料自调节材料光导纤维磁致伸缩材料形状记忆材料电阻应变材料光敏材料压电材料图2智能材料的类别图1智能材料的功能特征传感功能响应功能自诊断功能自修复能力信息存储功能反馈功能智能材料 能够适应多变的战场环境,将有效提升武装部队的灵活性和生存能力。2017年11月,美国国家航空航天局(NASA)成功研发出使用记忆合金制成的免充气轮胎(见图3),用以取代老款的探测车轮胎。这种新材料是一种镍钛合金(Nickel Titanium)。一般金属在外力作用下会不断延伸直到断裂,但是这种镍钛合金在负载之下,其原子结构会重新排列,导致外形发生改变,当负载减轻或者消失之后,其原子结构会再次重新排列,形状也随之复原。这种记忆合金可以实

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