淺談智能無(wú)機(jī)非金屬材料在當(dāng)今中國(guó)的發(fā)展

李逸文

摘 要：伴隨著科技的進(jìn)步，傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)高分子材料在某些領(lǐng)域已經(jīng)很難完成預(yù)期的目標(biāo)。因此新型智能無(wú)機(jī)非金屬材料得到了廣泛的關(guān)注和研究，并且在某些方面取得了較大的進(jìn)展。本文通過(guò)闡述智能無(wú)機(jī)非金屬材料在我國(guó)的發(fā)展歷程和研究現(xiàn)狀，并結(jié)合其在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)其今后的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行一定的展望，并為未來(lái)的研究提供一些參考。

關(guān)鍵詞：智能無(wú)機(jī)非金屬 復(fù)合高分子 材料應(yīng)用 發(fā)展趨勢(shì)

引 言

隨著無(wú)機(jī)化學(xué)和材料學(xué)的快速發(fā)展，人類(lèi)在新型材料的設(shè)計(jì)和合成上面取得了很大的成就。并且伴隨著現(xiàn)代生產(chǎn)的進(jìn)步，人們對(duì)新型材料尤其是智能無(wú)機(jī)非金屬材料的需求越來(lái)越大。同時(shí)由于人們對(duì)智能材料的研究才剛剛起步，其仍有很大的研究和改進(jìn)的空間。因此對(duì)這些新型智能無(wú)機(jī)非金屬材料進(jìn)行研究，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

一、智能無(wú)機(jī)非金屬材料的概念

智能無(wú)機(jī)非金屬材料是指在當(dāng)代先進(jìn)的材料科學(xué)基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)無(wú)機(jī)高分子材料進(jìn)行深入的設(shè)計(jì)和研究，使其能夠?qū)χ苓叺沫h(huán)境產(chǎn)生一定的感知，并且能夠?qū)σ恍┨囟顟B(tài)（如形變、破損及溫度改變等）進(jìn)行響應(yīng)的新型材料。并且伴隨著科學(xué)家的深入研究，將一些高技術(shù)的感應(yīng)元件與傳統(tǒng)高分子材料相結(jié)合，使無(wú)機(jī)的材料擁有了自己的“知覺(jué)”。進(jìn)而使這些無(wú)機(jī)高分子材料能夠適應(yīng)環(huán)境的改變，并做出一系列相應(yīng)的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)智能化。

二、智能無(wú)機(jī)非金屬材料在中國(guó)的發(fā)展歷程

我國(guó)的智能無(wú)機(jī)非金屬材料的研究起步較晚（從上世紀(jì)九十年代開(kāi)始研究），并且在研究過(guò)程中受到國(guó)外的技術(shù)封鎖以及缺乏尖端的研究和測(cè)試設(shè)備，使我國(guó)的智能無(wú)機(jī)非金屬材料的研究和發(fā)展受到了很大的制約。經(jīng)過(guò)科研人員三十多年不斷的努力和探索，我國(guó)已相繼研發(fā)出八大類(lèi)、四千多小類(lèi)的新型智能無(wú)機(jī)非金屬材料，并且得到了廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，我國(guó)也研發(fā)出了一整套的先進(jìn)且完善的試驗(yàn)和檢測(cè)設(shè)備，已經(jīng)具備了對(duì)智能無(wú)機(jī)非金屬材料的攻堅(jiān)能力。

三、智能無(wú)機(jī)非金屬材料在中國(guó)的研究現(xiàn)狀

（1）智能仿生材料。智能仿生材料是人們依據(jù)生物的機(jī)體特性，并通過(guò)結(jié)合當(dāng)代先進(jìn)的軟件控制和電子測(cè)量及集成技術(shù)，進(jìn)而使某些無(wú)機(jī)非金屬材料能夠?qū)崿F(xiàn)類(lèi)似于生物體神經(jīng)元的特性（實(shí)現(xiàn)對(duì)周?chē)h(huán)境的感應(yīng)和傳達(dá)、判斷處理以及進(jìn)行指令執(zhí)行等功能）。并且我國(guó)目前已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)將多種軟硬件設(shè)備集成在數(shù)十納米及數(shù)百納米厚的結(jié)構(gòu)空間[1]里面，并且在環(huán)境函數(shù)的收集和處理方面實(shí)現(xiàn)了微秒級(jí)的相應(yīng)，并在某些領(lǐng)域（如超高精密測(cè)量中的震動(dòng)感應(yīng)）得到了具體應(yīng)用。

（2）智能陶瓷。目前我國(guó)在智能陶瓷方面的研究主要集中在氧化鋯增韌陶瓷和靈巧陶瓷方面。在對(duì)氧化鋯增韌陶瓷的研究中，通過(guò)對(duì)ZrO2 晶體[2]的研究，使陶瓷在燒成和冷卻的過(guò)程中進(jìn)行相變，進(jìn)而通過(guò)偏轉(zhuǎn)增韌、微裂紋增韌及相變?cè)鲰g等，實(shí)現(xiàn)對(duì)陶瓷的增韌。被廣泛應(yīng)用在導(dǎo)熱和導(dǎo)電率的測(cè)量、聲波傳導(dǎo)等領(lǐng)域；在靈巧陶瓷的研究領(lǐng)域中，通過(guò)對(duì)多層鋯鈦酸鉛進(jìn)行加壓，進(jìn)而使其多層結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)層片間的擠壓或者舒張，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)周?chē)h(huán)境的感應(yīng)。因此這種靈巧陶瓷被廣泛應(yīng)用在對(duì)周?chē)h(huán)境中的電、微波或壓力較為敏感（如磁盤(pán)中的自動(dòng)尋道針頭和高速飛行器的蒙皮）的領(lǐng)域中。

（3）智能水泥基材料。智能水泥主要通過(guò)在高分子水泥基中摻雜一些特定物質(zhì)，使水泥基能夠?qū)崿F(xiàn)測(cè)溫、自損修復(fù)以及對(duì)應(yīng)變力的測(cè)量等功能。例如在水泥基中摻雜0.8%的標(biāo)準(zhǔn)體積[3]的碳纖維，那么該水泥基可以實(shí)現(xiàn)對(duì)周?chē)?、折力以及?yīng)力等作用力的測(cè)量，并且在靈敏度和精準(zhǔn)度等方面遠(yuǎn)優(yōu)于普通的電阻式應(yīng)變片。并且在自損修復(fù)水泥基的研究方面，研究人員通過(guò)參考動(dòng)物的骨骼特性以及其生長(zhǎng)和修復(fù)的方式，通過(guò)在水泥基中摻雜裝有高密度粘合劑的纖維管，實(shí)現(xiàn)對(duì)水泥裂紋的自修復(fù)。同時(shí)由于纖維管的加入，使水泥基的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大大提高，并通過(guò)加入大量的傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)水泥建筑的主動(dòng)控制以及損傷修復(fù)。

四、智能無(wú)機(jī)非金屬材料在中國(guó)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

（1）復(fù)合化發(fā)展。目前我國(guó)在材料的智能化方面主要通過(guò)將無(wú)機(jī)非金屬材料與各種傳感器（如鐵電陶瓷和多片壓電式感應(yīng)器）結(jié)合成復(fù)合結(jié)構(gòu)，進(jìn)而通過(guò)感應(yīng)器的環(huán)境感應(yīng)以及數(shù)據(jù)反饋，實(shí)現(xiàn)對(duì)周?chē)h(huán)境的響應(yīng)。因此未來(lái)的研究方向應(yīng)該是基于多學(xué)科（如結(jié)合力學(xué)、生物工程學(xué)、有機(jī)化學(xué)等）的復(fù)合式發(fā)展，并創(chuàng)新感應(yīng)器的形式（如使用碳纖維膜的柔化[4]感應(yīng)器），使無(wú)機(jī)非金屬材料的適用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，并提高其對(duì)環(huán)境的響應(yīng)能力。

（2）智能化發(fā)展。在現(xiàn)階段的智能無(wú)機(jī)非金屬材料的研究中，智能材料仍然不夠“智能”：即無(wú)法獨(dú)立實(shí)現(xiàn)對(duì)周?chē)h(huán)境的感應(yīng)、處理和指令執(zhí)行等操作。同時(shí)大部分智能材料的體積均較為龐大，各個(gè)功能間的結(jié)構(gòu)較為松散，難以在部分高精尖領(lǐng)域中發(fā)揮應(yīng)有的作用。因此智能無(wú)機(jī)非金屬材料未來(lái)的發(fā)展方向應(yīng)該著力提高其智能化。

（3）經(jīng)濟(jì)型發(fā)展。雖然我國(guó)在智能無(wú)機(jī)非金屬材料方面的研究取得了巨大的進(jìn)展，并且得到了較為廣泛的應(yīng)用。但由于這些材料所使用的工序較為繁雜，并且對(duì)生產(chǎn)精度的要求極高，因此其生產(chǎn)成本很大，難以進(jìn)行全面推廣和應(yīng)用。所以我國(guó)在未來(lái)應(yīng)加大對(duì)智能材料的研發(fā)投入，進(jìn)而降低其生產(chǎn)成本。

結(jié) 語(yǔ)

雖然我國(guó)在智能無(wú)機(jī)非金屬材料方面雖然已經(jīng)取得了一系列的成就，但由于我國(guó)研發(fā)的多數(shù)產(chǎn)品仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，同時(shí)部分產(chǎn)品造價(jià)過(guò)高，生產(chǎn)范圍有限，不適宜批量生產(chǎn)。并且我國(guó)的原始創(chuàng)新能力不足，在某些核心技術(shù)方面仍嚴(yán)重依賴(lài)于國(guó)際同行。因此我國(guó)仍需要繼續(xù)加大對(duì)智能無(wú)機(jī)非金屬材料的研發(fā)力度，并為新材料的研發(fā)提供一系列的便利，進(jìn)而促進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 周振君，羅偉華，叢培良，許培俊.新經(jīng)濟(jì)背景下專(zhuān)業(yè)建設(shè)初探——以長(zhǎng)安大學(xué)無(wú)機(jī)非金屬材料工程專(zhuān)業(yè)為例[J].科教導(dǎo)刊（下旬），2018（10）：55-56+58.

[2] 馬龍輝，李帥，孫建.無(wú)機(jī)非金屬新材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展探析[J].南方農(nóng)機(jī)，2017，48（03）：88+93.

[3] 舒凱征.國(guó)內(nèi)無(wú)機(jī)非金屬材料的應(yīng)用與發(fā)展概述[J].科技資訊，2012（32）：57.

[4] 楊麗穎，王琦.智能無(wú)機(jī)非金屬材料[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2003（05）：30-35.