智能材料的应用和发展

皖西学院本科毕业论文（设计）

智能材料的应用和发展

作 者
指导教师
李万飞
郝洪荣

【内容摘要 】智能材料是一种感知外部刺激，能够判断并适当处理且本身可执行的新型功能材料。
本文（主要）介绍 了智能材料的仿生构想，并重点介绍了智能金属材料、智能无机非金属材料、智能
高分子材料、智能纤维 、仿生工程材料的构成原理、应用领域和研究现状，并阐述了智能材料的战略意义，
展望了它的发展前景 ,最后探讨了智能材料与材料科学的关系及其发展趋势。
【关键词】智能材料、仿生、智能纤维。
The Application And Development Of Intelligent Materials
Content Abstract：The intelligent material is one kind of new Functional Materials that can sensation the
exterior stimulation, judge and proper treate, also iself can be executed. This paper (main) introduced the
intelligent material biological modelling conception, and key introduced the Constitution principle, application
domain and present research situation of Intelligence metallic material , intelligent inorganic nonmetallic material,
intelligent high polymer material, intelligent textile fiber, and the bionic engineering materials. Elaborated the
strategic significance of smart materials and look forward to its future development. At last, dscussed the
relationship between smart material and materials science and its development trend.
Key Words: The Itelligent Mterial,、The bionic,、Intelligent Fiber .







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一、智能材料
在这个新材料层出不穷的时代，智能材料也是独领风骚的一朵奇葩， 是二十世纪九十年
代迅速发展起来的一类新型复合材料。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 s tructure等。它的构想来源于仿生(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。具体来说需具备以下内涵 ：
(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。
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。
[1]

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。
下面我们将从智能材料的特征、构成和分类来简单的介绍一下。
1、智能材料的特征
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、
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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。
2、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]

(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< br>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。
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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、光纤等。
a、导电材料包含导电塑料和导电橡胶。导电橡胶是将玻 璃镀银、铝镀银、银等导
电颗粒均匀分布在硅橡胶中，通过压力使导电颗粒接触，达到良好的导电性能。 导电橡
胶具有良好的电磁密封和水汽密封能力，在一定压力下能够提供良好的导电性（抑制频
率 达到40GHz）。
b、磁性材料主要是指由过渡元素铁、钴、镍及其合金等组成的能够直接或间接产
生磁性的物质。磁性材料从材质和结构上讲，分为“金属及合金磁性材料”和“铁氧体
磁性材料 ”两大类，铁氧体磁性材料又分为多晶结构和单晶结构材料。从应用功能上讲，
磁性材料分为：软磁材料 、永磁材料、磁记录-矩磁材料、旋磁材料等等种类。磁性材
料从形态上讲。包括粉体材料、液体材料、 块体材料、薄膜材料等。
c、光纤是光导纤维的简写，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反 射原理而达
成的光传导工具。微细的光纤封装在塑料护套中，使得它能够弯曲而不至于断裂。通常，光纤的一端的发射装置使用发光二极管（light emitting diode，LED）或一束激光 将光脉
冲传送至光纤，光纤的另一端的接收装置使用光敏元件检测脉冲。
[1]

3、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
状记忆复合材料两大类；无机非金属系智能材料在 电流变体、压电陶瓷、光致变色和电致变
色材料等方面发展较快。下面我们主要介绍智能材料八种主要种 类：1）、形状记忆合金；2）、
电流变体和磁流变体；3）、磁致伸缩材料；4）、压电陶瓷；5）、 电致伸缩陶瓷；6)、光致变
色玻璃；7) 、电致变色材料；8)、光导纤维。
1）、形状记忆合金（SMA）
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一般金属材料受到外力作用后，首先发生弹性 变形，达到屈服点，就产生塑性变形，应
力消除后留下永久变形。但有些材料，在发生了塑性变形后，经 过合适的热过程，能够回复
到变形前的形状，这种现象叫做形状记忆效应（SME）。具有形状记忆效应 的金属一般是两种
以上金属元素组成的合金，称为形状记忆合金（SMA）
[2]
。
根据不同的记忆功能，形状记忆合金可分为单程、双程、全程记忆效应和伪弹性等。
(1)单程记忆效应(One Way Shape Memory，简称OWSM）：形状记忆合金在 较低的温度
下变形，加热后可恢复变形前的形状，这种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记< br>忆效应。
(2)双程记忆效应(Two Way Shape Memory，简称TWSM ）：某些合金加热时恢复高温相
形状，冷却时又能恢复低温相形状，称为双程记忆效应。
(3)全程记忆效应( All-round Shape Memory，简称ARSM）：加热时恢 复高温相形状，冷
却时变为形状相同而取向相反的低温相形状，称为全程记忆效应。

三种记忆效应图
目前，已开发成功的形状记忆合金有TiNi基形状记忆合金、铜基形状记忆 合金、铁基形
状记忆合金等。 最早关于形状记忆效应的报道是由Chang及Read等人在1952年作出的。他
们观察到Au- Cd合金中相变的可逆性。后来在Cu-Zn合金中也发现了同样的现象，但当时并
未引起人们的广泛注 意。直到1962年，Buehler及其合作者在等原子比的TiNi合金中，观
察到具有宏观形状变 化的记忆效应，才引起了材料科学界与工业界的重视。
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