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智能材料的概念

时间: 2011-07-24 10:03 来源: 作者: 青岛佳普智能材料应用有限公司点击:
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。

智能材料又可以称为敏感材料,其英文翻译也有若干种,常用的有Intelligent material、Intelligent material and structure、Smart material、Smart material and structure、Adaptive material and structure等。

智能材料的构想来源于仿生(仿生就是模仿大自然中生物的一些独特功能制造人类使用的工具,如模仿蜻蜓制造飞机等等),它的目标就是想研制出一种材料,使它成为具有类似于生物的各种功能的“活”的材料。因此智能材料必须具备感知、驱动和控制这三个基本要素。但是现有的材料一般比较单一,难以满足智能材料的要求,所以智能材料一般由两种或两种以上的材料复合构成一个智能材料系统。这就使得智能材料的设计、制造、加工和性能结构特征均涉及到了材料学的最前沿领域,使智能材料代表了材料科学的最活跃方面和最先进的发展方向。

为增加感性认识,现举一个简单的应用了智能材料的例子:某些太阳镜的镜片当中含有智能材料,这种智能材料能感知周围的光,并能够对光的强弱进行判断,当光强时,它就变暗,当光弱时,它就会变的透明。

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目前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。

智能材料的构成

一般来说智能材料由基体材料、敏感材料、驱动材料和信息处理器四部分构成。

(1)基体材料

基体材料担负着承载的作用,一般宜选用轻质材料。一般基体材料首选高分子材料,因为其重量轻、耐腐蚀,尤其具有粘弹性的非线性特征。其次也可选用金属材料,以轻质有色合金为主。

(2)敏感材料

敏感材料担负着传感的任务,其主要作用是感知环境变化(包括压力、应力、温度、电磁场、PH值等)。常用敏感材料如形状记忆材料、压电材料、光纤材料、磁致伸缩材料、电致变色材料、电流变体、磁流变体和液晶材料等。

(3)驱动材料

因为在一定条件下驱动材料可产生较大的应变和应力,所以它担负着响应和控制的任务。常用有效驱动材料如形状记忆材料、压电材料、电流变体和磁致伸缩材料等。可以看出,这些材料既是驱动材料又是敏感材料,显然起到了身兼二职的作用,这也是智能材料设计时可采用的一种思路。

(4)其它功能材料

包括导电材料、磁性材料、光纤和半导体材料等。

图所示为智能材料的基本构成和工作原理。

智能材料的分类

智能材料是继天然材料、人造材料、精细材料之后的第四代功能材料。

因为现在可用于智能材料的材料种类不断扩大,所以智能材料的分类也只能是粗浅的,分类方法也有多种,一般若按功能来分可以分为光导纤维、形状记忆合金、压电、电流变体和电(磁)致伸缩材料等。若按来源来分,智能材料可以分为金属系智能材料、无机非金属系智能材料和高分子系智能材料。目前研究开发的金属系智能材料主要有形状记忆合金和形状记忆两大类;无机非金属系智能材料在电流变体、压电、光致变色和电致变色材料等方面发展较快;高分子系智能材料的范围很广泛,作为智能材料的刺激响应性高分子凝胶的研究和开发非常活跃,其次还有智能高分子膜材、智能高分子粘合剂、智能型药物释放体系和智能高分子基复合材料等。

在其他领域中的应用

智能材料结构用于军事,并不是一个新鲜的话题,就象所有高新科技的发现必然会应用于军事一样,它是随着智能材料的发展也在不断发展的一个领域。因为智能材料结构不仅象一般功能材料一样可以承受载荷,而且它还具有了其他功能材料所不具备的功能,即能感知所处的内外部环境变化,并能通过改变其物理性能或形状等做出响应,借此实现自诊断、自适应、自修复等功能。所以,智能材料在军事应用中具有很大潜力,它的研究、开发和利用,对未来武器装备的发展将产生重大影响。

目前,在各种军事领域中,智能材料的应用主要涉及到以下几个方面:

(1)智能蒙皮

例如光纤作为智能传感元件用于飞机机翼的智能蒙皮中,或者在武器平台的蒙皮中植入传感元件、驱动元件和微处理控制系统制成的智能蒙皮,可用于预警、隐身和通信。

目前美国在智能蒙皮方面的研究包括:美国弹道导弹防御局为导弹预警卫星和天基防御系统空间平台研制含有多种传感器的智能蒙皮;美空军莱特实验室进行的结构化天线(即把天线与蒙皮结构融合在一起)研究;美海军则重点研究舰艇用智能蒙皮,以提高舰艇的隐身性能。

(2)结构监测和寿命预测

智能结构可用于实时测量结构内部的应变、温度、裂纹,探测疲劳和受损伤情况,从而能够对结构进行监测和寿命预测。例如,采用光纤传感器阵列和聚偏氟乙烯传感器的智能结构可对机翼、机架以及可重复使用航天运载器进行全寿命期实时监测、损伤评估和寿命预测;空间站等大型在轨系统采用光纤智能结构,可实时探测由于交会对接碰撞、陨石撞击或其他原因引起的损伤,对损伤进行评估,实施自诊断。正在研究的自诊断智能结构技术有:光纤传感器自诊断技术,可以测量裂纹的“声音”传感器自诊断技术,及其它可监测复合材料层裂的传感器自诊断技术等。

(3)减振降噪

智能结构用于航空、航天系统可以消除系统的有害振动,减轻对电子系统的干扰,提高系统的可靠性。如美国防高级研究计划局资助波音公司研制的直升机智能结构旋翼叶片,可以改善旋翼的空气动力学性能,减小振动和噪音。智能结构用于舰艇,可以抑制噪声传播,提高潜艇和军舰的声隐身性能。智能结构用于地面车辆,可以提高军用车辆的性能和乘坐的舒适度。国外正在研究的具有减振降噪功能的智能结构,主要由压电陶瓷、形状记忆合金和电致伸缩等新材料制成。

(4)环境自适应结构

智能结构制成的自适应机翼,能够实时感知外界环境的变化,并可以驱动机翼弯曲、扭转,从而改变翼型和攻角,以获得最佳气动特性,降低机翼阻力系数,延长机翼的疲劳寿命。如当飞机在飞行过程中遇到涡流或猛烈的逆风时,机翼中的智能材料就能够迅速变形,并带动机翼改变形状,从而消除涡流或逆风的影响,使飞机仍能平衡地飞行。

美国的一项研究表明,在机翼结构中使用磁致伸缩致动器,可使机翼阻力降低85%。美国波音公司和麻省理工学院联合研究在桨叶中嵌入智能纤维,电致流变体时可使桨叶扭转变形达几度。美国陆军在开发直升机旋翼主动控制技术,将用于RAH-66武装直升机。美国防部和航空航天局也在研究自适应结构,包括翼片弯曲、弯曲造型/控制面造型等。

相信在不久的将来我们用智能材料制成的飞机机翼,就可以像鱼尾巴一样行动自如,自行弯曲、自动改变形状,从而改进升力和阻力,使飞机飞得更高、更快。

智能材料与住宅智能化

让我们先来设想一下,未来的住宅会是什么样子:墙壁可以随心所欲的变换颜色;椅子可以随人体不同的需要改变温度和形状;一切的电器都是触摸式的,永远不会再有触电的危险;可视电话带有传感功能;……。这是多么美妙的一幅未来图画!在以前或者还会把它当作幻想和科幻小说来看,但是随着智能材料的发展,尤其是毫微设想的提出,智能化住宅已经不再只是梦想。虽然目前还处于设想阶段,但是已经开始着手进行研究,并且必然将在不久的将来成为现实。下面让我们来了解几种未来的智能产品。

(1)多功能砖

多功能砖用来构建整个房屋的结构单元,这种结构单元具有变通性和智能性。这种多功能砖主要由四个分层构成。第一层是功能层,能感受来自周围的声能、热能、光能,并能控制这些能量的输出,如果是内墙壁砖的话,还能控制和改变墙的功能;第二层是通讯层,能为居住者提供内外通信联系的通道,第三层是输送通道,可以用来输送水和其它材料。住户还可以挑选合适的带“面膜”的砖材。面膜是砖材的最上层,它也具有多功能性。如壁膜可以使墙壁产生不同的色彩和图案;传感膜可以接收声波、热能和可见光并予以减弱或增强;地膜可产生耐久的色彩和图案;界面膜可连接内外通信线路。面膜的设置及其构形并不是一成不变的,而是很容易剥离并换上新的面膜。

(2)食物器皿

在未来的厨房里不会看到传统的碗碟。在毫微塑料的桌面上旋转的碗不仅能测知食物的存在,而且可以根据用户的需要自行形成各种形状的碟子,供准备、烹调和上菜时使用。并且这种盛食物的碗还具有保温和在不使用冰箱的情况下保鲜的功能。

(3)座椅

用毫微塑料制作的坐椅不仅功能将大大增加,而且也将增加舒适程度。使用毫微塑料能改变椅座面的柔韧性和弹性,也可以形成各种型式的椅座面。如果出于美学的考虑,或是便于人们入座或从座椅中站起,毫微塑料也可以形成所需的任何图案或结构,还能改变座椅本身的结构。由于不同年龄段的人对温度舒适性的要求有很大区别,这种座椅还可以随心所欲地升温和降温。它甚至还对人们喜爱的舒适温度具有记忆功能。

(4)卫生间

在卫生间里,常见设施是洗脸盆、抽水马桶和淋浴器。采用了智能结构的卫生间是这样的。

在洗漱时,人们只要接触洗脸盆支架表面的任何区域,就能调节控制水温、水速和水流的状态(集中喷射的水流或宽阔的水帘状等)供人们选择。洗脸盆上方的镜子能照出人的正常反转象,还能照出真实的非反转象。

抽水马桶的形状和大小可随使用者的不同而自动变化,坐垫自动加热至舒适的温度,整个结构十分轻便。无论安装在室内的任何地方,都能和多功能砖牢固地砌合,从而解决上下水的问题。在电脑住宅的厕所里,安装了一台检查身体的电脑系统,每当有人上厕所时,与马桶相连的体检装置即自动分析大小便的情况,如发现异常,电脑会立即发出警报,以便及时到医院去看病。

淋浴设备只要和多功能砖相连接,上下水、水温和水流都能得到自动控制和调节。

综上所述,未来的智能化住宅必将显著提高人们的生活质量。

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