智能材料的結(jié)構(gòu)和性能綜述

付永晟

河北恒工機(jī)械裝備科技有限公司 河北邯鄲 056000

智能材料是一種新型的材料技術(shù)。我國經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的過程中，對(duì)智能材料的研究也越來越深入。智能材料具有感知功能、信息處理功能以及執(zhí)行功能。此類智能材料可以在周圍環(huán)境的變化下，調(diào)整自身結(jié)構(gòu)，以便適應(yīng)周圍環(huán)境的變化。

1 智能材料結(jié)構(gòu)

1.1 按照生產(chǎn)方式來劃分

智能材料按照不同的生產(chǎn)方式可以分為不同的結(jié)構(gòu)類型。比如按照生產(chǎn)方式的不同可分為人工智能材料和天然智能材料。所謂的天然智能材料主要是指人和動(dòng)物的皮膚、肌肉、骨骼、臟器等。所謂的人工智能材料主要是指人為制造生產(chǎn)出來的智能材料，它是科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的產(chǎn)物，凝結(jié)了人類的智慧和勞動(dòng)成果。因此人工智能材料也可以叫做生物擬態(tài)材料。

1.2 按照驅(qū)動(dòng)方式來劃分

智能材料按照不同的驅(qū)動(dòng)方式可以分為不同的結(jié)構(gòu)類型。如嵌入式智能材料和被動(dòng)式智能材料。嵌入式智能材料也成為主動(dòng)式智能材料。嵌入式智能材料主要是在原材料的基礎(chǔ)上將傳感功能、動(dòng)作功能以及執(zhí)行功能等埋入其中。在傳感元件的作用下，感知周圍信息，促使自身結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，以便可以適應(yīng)周圍環(huán)境的變化要求。其嵌入式智能材料功能實(shí)現(xiàn)的流程如下。首先依靠傳感器收集周圍信息，再借助反饋系統(tǒng)整合外界信息，調(diào)整結(jié)構(gòu)本身，以適應(yīng)周圍環(huán)境的變化。如，變色太陽鏡、自濾波玻璃等都屬于嵌入式智能材料[1]。

1.3 按照材料基質(zhì)不同來劃分

按照材料基質(zhì)的不同可分為以下幾種。金屬系智能材料、無機(jī)非金屬系智能材料、高分子系智能材料。利用金屬系智能材料判斷材料自身的使用壽命，并對(duì)今后出現(xiàn)的異常問題進(jìn)行提前預(yù)告。在陶瓷制造業(yè)中，將金屬性智能材料埋入另一種物質(zhì)內(nèi)部，可以在應(yīng)力、相變等作用下修復(fù)自身存在的裂紋?；蛘咦詣?dòng)將自身的成分析出來實(shí)現(xiàn)填充修復(fù)作用。日本等發(fā)達(dá)國家在對(duì)金屬系智能材料的研究過程中發(fā)現(xiàn)，利用顏色、聲音以及電信號(hào)等可以判斷材料在使用過程中是否出現(xiàn)了損傷和性能減退的問題，問題一旦識(shí)別出來可以激活自我修復(fù)功能。無機(jī)非金屬智能材料被應(yīng)用在陶瓷制造業(yè)中，可以依靠智能化材料向外作功、發(fā)射聲波輻射電磁波和熱能，這樣可以將化學(xué)反應(yīng)速度加快，及時(shí)針對(duì)外界環(huán)境做出調(diào)整。高分子系智能材料是不基質(zhì)下智能材料的一種。高分子凝膠材料屬于一種是三維網(wǎng)絡(luò)，分析該材料的結(jié)構(gòu)與生物體組織較為相似。高分子系智能材料可以在不容的溶劑種類、鹽濃度、pH值、溫度下，受不同電刺激和光輻照的影響，在體積上發(fā)生變化。高分子系智能材料體積在變化的過程中，主要是立足與分子水平、高分子水平、大分子間水平之間相互刺激而發(fā)生的響應(yīng)。在生物醫(yī)用材料的研究領(lǐng)域采用高分子系智能材料有較好的使用前景。舉例來說，將高分子系智能材料制成藥物釋放體系（DDS）載體材料，臨床上使用此種材料可以根據(jù)病灶自身引起的化學(xué)反應(yīng)、物理量信號(hào)的變化。在自反饋系統(tǒng)的參與下控制藥物釋放的通斷特性。比如，患者在血糖濃度上升的情況下可以促使胰島素釋放體系響應(yīng)，激活此體系將血糖維持在一定水平[2]。

2 智能材料性能

2.1 感知、反饋及執(zhí)行功能

感知、反饋和執(zhí)行功能是智能材料最基本的功能。智能材料中的傳感器主要對(duì)周圍環(huán)境的變化進(jìn)行感知，將存在與周圍環(huán)境中難以測(cè)量的物理量X轉(zhuǎn)化為便于測(cè)量的Y。在電學(xué)量的輔助下對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行感知。智能材料的執(zhí)行器包括多種類型，根據(jù)驅(qū)動(dòng)信號(hào)Z將相應(yīng)的動(dòng)作指令W輸出是執(zhí)行器的主要作用。執(zhí)行器在功能結(jié)構(gòu)上存在較大的復(fù)雜性。提高陶瓷機(jī)敏性的關(guān)鍵離不開反饋系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要針對(duì)傳感器輸出的Y信號(hào)進(jìn)行處理加工，賦予材料不同特性。執(zhí)行器在將驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出的基礎(chǔ)上，智能材料可以利用其中的控制執(zhí)行器完成人們規(guī)定進(jìn)行的動(dòng)作指令。利用反饋系統(tǒng)可以甄別虛假信號(hào)，同時(shí)避免出現(xiàn)虛假信號(hào)的干擾。在處理輸出信號(hào)時(shí)需要進(jìn)行放大處理，將其處理后的數(shù)據(jù)可滿足反饋函數(shù)的需求。在陶瓷制造技術(shù)中，伴隨科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，陶瓷集成和硅集成技術(shù)有了顯著發(fā)展。此種集成技術(shù)可以將傳感器、反饋系統(tǒng)以及執(zhí)行系統(tǒng)的功能集成在同一個(gè)單元，優(yōu)化材料性能。

2.2 信息處理功能

智能材料智能化的體現(xiàn)離不開信息處理功能。依靠智能材料的信息處理功能可以將材料的結(jié)構(gòu)變得更加合理。其中演繹能力、歸納能力以及決策能力是智能材料在處理信息時(shí)不可缺少的技術(shù)手段。其中模數(shù)識(shí)別法是智能材料結(jié)構(gòu)的信息處理中非常重要的技術(shù)手段，可分為統(tǒng)計(jì)決策法、邏輯推理法、非數(shù)值特征值法等[3]。

2.3 驅(qū)動(dòng)元件和傳感元件

智能材料功能的實(shí)現(xiàn)需要經(jīng)過以下環(huán)節(jié)。首先，對(duì)外界參數(shù)進(jìn)行識(shí)別，在識(shí)別參數(shù)的基礎(chǔ)上，制定行動(dòng)計(jì)劃。行動(dòng)計(jì)劃的實(shí)現(xiàn)離不開智能材料找那個(gè)埋入的驅(qū)動(dòng)件。驅(qū)動(dòng)件可以在調(diào)節(jié)自身結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上適用多種環(huán)境的變化，如改變自身的結(jié)構(gòu)形態(tài)、固有頻率、位置、阻尼、剛度、摩擦阻力等。其中常見的驅(qū)動(dòng)元件主要有形狀記憶合金、電流變體、壓電元件、形狀記憶聚合物等。感知功能是智能材料重要的性能之一。所謂的感知功能就是感覺能力。智能材料發(fā)揮感知功能的前提離不開埋入智能材料當(dāng)中的傳感元件。智能材料中的傳感元件可以將外界的各種信息進(jìn)行收集，在整合分析的基礎(chǔ)上，利用信息資料控制驅(qū)動(dòng)元件。為了提高智能材料的感覺功能，可以將不同的傳感元件埋入進(jìn)去，如光導(dǎo)纖維、壓電薄膜、電阻應(yīng)變絲、碳纖維、半導(dǎo)體等[4]。

3 結(jié)語

綜上所述，智能材料在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的過程中，種類和功能越來越多。以上是筆者對(duì)智能材料的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行的有關(guān)分析。相信在今后的發(fā)展中智能材料可以在更多的領(lǐng)域被應(yīng)用，智能化是人類文明今后發(fā)展的主要趨勢(shì)。