智能材料研究进展及应用.doc

各专业全套优秀毕业设计图纸目录0 引言21智能材料结构的研究现状31.1 智能传感技术31.2智能驱动技术41.3智能控制技术61.4智能信息处理与传输62常用制备方法82. 1 物理气相沉积法82. 2 喷涂法82. 3烧结法82. 4 注射成型法82.5创构智能材料的物理新技术83智能材料的应用领域93.1军事领域中的应用93.2医学领域中的应用113.3建筑领域的应用133.4智能服装和纺织品领域的应用133.5未来热点应用143结束语15参考文献15智能材料研究进展及应用侯博材料与化工学院材料科学与工程摘要：智能材料是广受瞩目的新兴材料科学门类,经过几十年的发展，已日趋成熟,必将逐渐深入到人类生活之中，且越来越多地影响乃至大范围地改变人们的生活方式。本文介绍了智能材料的基本构成和分类，对对智能材料结构的研究现状进行了阐述，并简单介绍了一些常用的制备方法，概述了其应用，探讨了其研究价值和广阔的发展应用前景。关键词：智能材料智能传感技术智能驱动技术智能控制技术智能信息处理与传输0 引言材料是人类一切生产和生活水平提高的物质基础，是人类进步的里程碑。随着科技的发展，特别是20世纪80年代以来，现代航天、航空、电子、机械等高技术领域取得了飞速的发展，人们对所使用的材料提出了越来越高的要求，传统的结构材料或功能材料已不能满足这些技术的要求，材料科学的发展由传统单一的仅具有承载能力的结构材料或功能材料，向多功能化、智能化的结构材料发展。20世纪80年代末期，受到自然界生物具备的某些能力的启发，美国和日本科学家首先将智能概念引入材料和结构领域，提出了智能材料结构的新概念。智能材料结构又称机敏结构(smart/intelligent materials and structures)，泛指将传感元件、驱动元件以及有关的信号处理和控制电路集成在材料结构中，通过机、热、光、化、电、磁等激励和控制，不仅具有承受载荷的能力，而且具有识别、分析、处理及控制等多种功能，能进行自诊断、自适应、自学习、自修复的材料结构。智能材料结构是一门交叉的前沿学科，所涉及的专业领域非常广泛，如:力学、材料科学、物理学、生物学、电子学、控制科学、计算机科学与技术等，目前各国都有一大批各学科的专家和学者正积极致力于发展这一学科1。当前，科学技术的发展对材料性能的要求越来越高，材料智能化的概念已极大地影响着人们在材料设计、制造和应用过程中的思维方式，光导纤维传感技术、微电子学技术、自组装材料制备技术以及其他相关技术的发展又给智能材料与结构的研究提供了新的研究手段、打开了更大的想象空间。目前国际上有关智能材料与结构的研究非常活跃，每年都要召开与之相关的学术会议，新设想、新成果不断出现2。1 智能材料结构的研究现状1.1 智能传感技术传感技术是实现智能结构实时、在线和动态监测的基础。而其中用于感受周围环境变化以实现传感的一类功能元件叫传感元件，它相当于人的神经系统。通过埋入(或粘贴)于主体材料内部(或表面)的传感元件能够有效地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、化学和核辐射等的强度及其变化，并将其转换成另一种物理量(如:电、光)，它是结构实现智能化的基础元件之一。目前研究和采用的主要传感元件有:光导纤维、压电元件、电阻应变元件、疲劳寿命丝、半导体元件等。（1）光导纤维早在1991 年美国就提出智能构件 “健康 ” 监控系统(shms)，其中的传感材料就是光纤。人们最初关心的是光纤维材料的埋入，是否会引起材料层间断裂韧性的下降或基体材料的损伤。后来的实验表明，对环氧复合材料埋入光纤，并没有降低拉伸强度和压缩强度，也没有引起层间断裂韧性的降低。目前，人们使用光纤已制作成各种埋入式复合材料传感器，其作用有:监测复合材料加工制造过程，随时报告加工过程中出现的缺陷；监测飞行器结构所处的状态，随时报告疲劳和温度等情况；利用光纤传感器和神经网络处理器对结构进行在线综合评估。加拿大多伦多大学和波音公司建立了世界上首架含有光纤的机翼前缘损伤评估系统原型。冲击过载实验表明，埋入光纤进行损伤评估是可行的，并解决了埋入光纤的处理和铺层分布、多传感器的结构和多路传输、传感器信号的再生和结构间连接等问题2。（2）压电元件在智能结构中，常用于声发射信号、应力波和压力测量的压电材料可分为两类:压电陶瓷和压电聚合物。压电材料的特点是有较宽的频响范围、控制精度高、可以加工成多种形式的传感器，易于小型化和集成化，可用作传感元件和驱动元件。压电材料的最新成果包括细晶粒聚合物陶瓷、大应变量(1.7%)单晶压电材料、压电纤维和压电复合材料等，它们的共同优点是具有较大的驱动应变和很强的可设计性1。（3） 半导体元件微小的半导体传感元件是未来智能结构中的主要传感元件，它能够制成与基体材料融为一体的半导体模块、薄片，用于测量温度、压力、辐射、加速度等，具有用途广、尺寸小、易集成和成本低等优势，目前的主要问题是使用温度的限制。不同的传感元件具有不同的传感特性，因此，需要对相关传感元件的力学光学电学等耦合效应进行深入的分析，探索新型组合式传感元件的新原理;研究新型光纤、激光、压电传感原理与技术;研究高性能、多用途表面声波传感器;研究分布式及准分布式传感、传感器网络及多传感器复用原理与方法;建立应变/温度复合传感原理与技术;研究新型加速度、速度、位移、变形、裂纹、损伤传感器技术;研究传感器数量与位置优化设计，以及在不同环境下传感元件和网络功能效应的模拟与仿真，以达到优化传感元件和传感网络综合性能的目的。1.2智能驱动技术驱动技术(包括驱动元件、激励和控制方式等)是智能结构实现形状或力学性能自适应变化的核心问题，也是困扰结构自适应的一个“瓶颈”。其中，驱动元件是使结构自身适应其环境的一类功能元件，它的作用就像人的肌肉，可以改变结构的形状、刚度、位置、固有频率、阻尼、摩擦阻力、流体流动速率、温度、电场及磁场等。驱动元件是自适应结构区别于普通结构的根本特征，也是自适应结构从初级形态走向高级形态的关键。对驱动元件的要求如下:与主体材料相容性好，具有较高的结合强度。本身具有较好的机械性能，如弹性模量大、静强度和疲劳强度高、抗冲击等。频率响应宽，响应速度快，激励后的变形量和驱动力大，且易于控制。目前研究和采用的主要驱动元件有:压电元件、形状记忆合金、电致/磁致伸缩材料、电/磁流变体、压电复合材料、聚合物胶体等。（1）压电元件利用逆压电效应，压电元件可用作驱动元件。压电元件作为驱动元件的特点是:激励能量小，响应速度快，控制精度度高，使用方便。主要问题是:驱动变形量和驱动力小，低于目前结构材料的许用应变值。（2）形状记忆合金形状记忆合金(sma)是智能结构中首先应用且问世不久的一种具有形状记忆效应的功能型金属材料，其作为驱动器元件最重要的特点是：可实现多种变形形式，变形量大，加热驱动时驱动力较大，可用于改变结构中的应力应变分布和结构的形状。存在的主要问题是功耗大、响应慢、多参数耦合效应复杂。（3）电/磁流变体电/磁流变体是在外加电场/磁场作用下能迅速实现液体-固体性质转变的一类智能材料，这类材料能感知环境(外加电场/磁场)的变化，并且根据环境的变化自动调节材料本身的性质，使其粘度、阻尼性能和剪切应力都发生相应的变化。这种液态和固态之间的转化是快速可逆的，并可保持粘度连续、无极地变化，能耗极小，是智能结构中很好的驱动器。（4）压电复合材料压电复合材料是将压电相材料(如压电陶瓷)与非压电相材料(如聚合物)按照一定的连通方式复合而形成的一种具有压电效应的复合材料。它具有优良的压电性能，柔韧性好，重量轻。其最大的特点是可设计性强，通过选择不同的连通方式和复合方式，可使压电复合材料具有所需要的综合性能。压电复合材料能用于结构的减振降噪和形状控制，并能改善与结构材料之间的相容性。（5）聚合物胶体聚合物胶体是一种将化学能或电能转变为机械能的仿人体肌肉功能的作动器，特别适合仿生飞行器。聚合物胶体能并联成仿肌肉的纤维束，稳定性好、柔度系数可调。需要研究的是如何提高力的集度，改善受载状况下的响应速度，提高能量转换效率。每种驱动元件都具有自身的特点，而理想的驱动元件能直接和高效地利用输入的电信号改变结构的状态和特性。以后需进行重点研究的新型驱动技术有:研究复合式和混杂式新型驱动系统、微型驱动装置;研究驱行器驱动力/行程/速度关系与功率/能量要求;建立驱动系统的理论分析模型并进行优化;研究驱动系统的激励和控制;研究磁流变驱动器、pzt堆驱动器、功能纤维材料驱动器，及具有高阻尼性能的形状记忆合金被动阻尼技术等。1.3智能控制技术在智能结构中，控制系统也是一个重要的组成部分，它所起的作用相当于人的大脑。智能结构控制系统包括控制元件及控制策略与算法等。智能结构的控制元件集成于结构之中，其控制对象就是结构自身。由于智能结构本身是分布式、强耦合的非线性系统，且所处的环境具有不确定性和时变性，因此，要求控制元件能够自己形成控制规律，并能够快速完成优化过程，需有很强的鲁棒性、实时性和在线性。而以频域为基础的经典控制理论和以时域为基础的现代控制理论均难以面对智能结构自身的特征和所处的环境。智能结构的控制打破了传统控制系统的研究模式，将对受控对象的研究转移到对控制器自身的研究上，通过提高控制器的智能水平减少对受控对象数学模型的依赖，从而增强结构系统的适应能力，使控制元件在受控对象性能发生变化、漂移、环境不确定和时变的情况下，始终获得满意的控制效果。结构之所以具有智能主要源于它的自主辨识和分布控制功能。智能结构的控制策略分为3个层次，即局部控制(localcontrol)、全局算法控制(globalalgorithm control)和智能控制(intelligent control)。局部控制的目标是增大阻尼和(或)吸收能量并减少残留位移或应变;全局算法控制的目标是稳定结构、控制形状和抑制扰动。这两个层次在目前的技术水平上是可以实现的。智能控制是未来重点研究的领域，通常应具备系统辨识、故障诊断和定位、故障元件的自主隔离、修复或功能重构、在线自适应学习等功能。针对分布式、非线性、强耦合、多变量、随机性及时变性这一复杂结构系统，利用主动/半主动/被动/复合控制各自的优点，建立智能结构系统控制的数学模型。采用非线性系统中控制与结构的相互作用、系统辩识与状态估计、模糊控制与神经网络控制的相互结合。特别是仿人智能控制理论中，分层逆阶控制信息处理及决策机构，在线特征辨识及特征记忆，开闭环结构的多模态控制，启发式和直觉式推理逻辑的灵活应用，分布局部控制与中央全局控制的结合。1.4智能信息处理与传输智能结构分布式的传感元件、驱动元件和控制元件，意味着需要有一个与其相适应的分布式的计算结构。这一结构主要包括数据总线、联接网络的布置和信息处理单元。信息处理单元应具有分布式且与中央处理方式相协调的特点，对于复杂的应变系统，还应具有一定的鲁棒性和在线学习功能。基于智能结构的多传感器体系，且传感网络信号具有高度非线性、大数量、并行等特点，使用传统的分析方法进行处理往往十分耗时、困难，甚至完全不可能。而现代模式识别方法(包括人工神经网络)、小波分析技术、时间有限元模型理论以及光时域反射计检测技术等就成为实现实时、在线、智能化处理分布式信号的理想工具3。对多传感器数据与信息融合，及多传感器的优化配置的研究也是智能结构信息处理研究的重要内容。人工神经网络突破了以传统线性处理为基础的数字电子计算机的局限，是一个具有高度非线性的超大规模连续时间动力系统。其主要特征为连续时间非线性动力学、网络的全局作用、大规模并行分布处理能力、联想学习能力和具有很强的鲁棒性和容错性。目前，应用于智能结构的人工神经网络，主要有bp网络、rbf网络、kohnoen自组织特征映射网络以及小波神经网络等。而传统的以bp网络为代表的前向神经网络都是基于经验风险最小化(empirical riskminimization， erm)原则，需要较大的样本数据，力求使样本点的训练误差最小化，因而不可避免地出现了过拟合现象，降低了模型的泛化能力，且容易陷入局部最优点。而近年来发展起来的支持向量机(support vector machine， svm)网络则是建立在vc维(vapnik-chervonenic dimension)理论基础之上的，采用结构风险最小化(structure risk minimization，srm)原则，在最小化样本点误差的同时，最小化模型的结构风险，从而提高了模型的泛化能力，这一优点在小样本学习中更为突出4。因此支持向量机是目前模式识别及非线性回归的理想网络模型。采用最小二乘支持向量机(least square support vector machine，ls-svm)网络对压电智能结构进行了损伤检测，并结合改进的遗传算法，构造了遗传神经网络方法实现了对压电智能结构传感器的优化配置5。由于智能结构传感元件、驱动元件和控制元件大量地分布于结构之中，采用无线传输方式来实现材料内部与外界环境间的信号传输与能量供给是必需的，这就像将很多微型电子器件植入人体内进行检测一样，采用有线传输是不切实际的。因此需采用无线传输方式，通过gps全球卫星定位系统以及国际互联网来实现远程监测与控制。2 常用制备方法2. 1 物理气相沉积法物理气相沉积法( 简称pvd) 是高温加热金属使其蒸发然后沉积于基材上，形成一定厚度(约100lm) 的致密薄膜。加热金属的方法有电阻加热、电子束加热、等离子加热及利用气体等离子的溅射等方法。2. 2 喷涂法喷涂法是把金属、陶瓷等的粉末及它们的混合物用高温气焰或等离子加热使之熔融或半熔，然后喷涂到基体表面形成膜层的表面处理技术。常用的有火焰喷涂、爆震喷涂、等离子喷涂等。2. 3 烧结法烧结法是粉末冶金的一种方法，该法是把金属或陶瓷等粉末置于用石墨制成的模中，然后加压、加热或加压后加热烧结的方法。目前应用的有放电烧结法、激光烧结法、微波烧结法、等离子烧结法等。2. 4 注射成型法金属注射成型技术是将金属粉末悬浮于由树脂(塑料)与蜡组成的混合物黏结剂中，这种混合物熔化后于高压下注射入模子中。经过模注成型之后，脱除黏结剂，经过烧结而制成/生坯0元件，因为这种生坯的气孔率极低，故而性能极接近于铸造材料。金属注射成型元件的尺寸精度很高，所以节省了机械加工费用。注射成型技术是20世纪70年代后期由美国发明的，在技术上尚未十分成熟，还有待于理论研究的深入和生产工艺的改进。2.5创构智能材料的物理新技术由于现代产业对材料要求的高性能化及多功能化，一些传统的常用材料制备法已无法满足其需要，必须在传统的方法中增加高科技成分，在智能材料的合成中应用的技术有以下3 种:（1）颗粒集成技术颗粒集成技术作为研制智能材料的基础技术，是由日本金属材料技术研究所率提出的，其方法有三：首先将不同颗粒分别使之具有极性相反的电荷，并利用库仓力集合成一体来开发多功能化的材料;利用电子束或离子束扫描获得具有一定带电形式的颗粒，从而按照设计形成颗粒排列体的方法；利用微探针尖端电场分别将各个颗粒排列在规定位置上并使之结合成一体的方法。（2）膜技术薄膜生长及合成技术的发展，使得制备超晶格量子阱超薄层材料成为可能。目前在研究领域制备多功能复合薄膜采用的技术有外延技术、激光闪蒸和磁控溅射等。将两种或多种机敏材料以多层微米级的薄膜复合，可以获得优化的多功能特性。例如，将铁弹性的形状记忆合金与电驱动材料复合，把热驱动方式变成电驱动方式，可以拓宽响应频率范围，提高响应速度。（3）纳米粒及分子的组装自从20世纪80年代初德国科学家提出纳米晶体材料的概念以来，世界各国对纳米材料的制备和研究空前白热化。近年来，人们已能直接对纳米粒子或分子、原子实施搬迁操作，可以控制纳米或原子团簇尺寸上的精细结构。纳米氧化物具有特殊的电、磁、光、化学性质，将其纳米粒子复合在多孔道的骨架内，可灵活地调控纳米粒子大小、纳米粒子之间及其与骨架之间的相互作用，并具有很好的可操作性，能得到兼有光控、压控、热控以及其他响应性质的智能材料。如将多种类型的纳米粒子引入到聚合物、玻璃或陶瓷等基质中，可制备多种功能的纳米复合材料，这类复合材料具有光放大、光吸收、荧光和非线性光学特性，可加工成波导和光纤等器件6。3智能材料的应用领域作为一种新兴技术材料，智能材料的应用日益引起人们的广泛兴趣，在军事、医学、建筑和纺织服装等领域都有着广阔的发展前景。3.1军事领域中的应用智能材料在军事应用中具有很大的潜力，其研究、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7，8。1985年美国空军的“预测计划ii”首先提出了光纤智能蒙皮/结构的概念。随着进一步的研究发展，1994年美国空军动力飞行实验室进行了结构飞行演示，麦道公司对f15战斗机的外侧前缘、f18战斗机的蒙皮进行了智能结构飞行试验。目前，为了未来的弹道导弹监视和预警卫星系统，美国弹道导弹防御局正在研究在复合材料蒙皮中植入核爆光纤传感器、x射线光纤探测器、激光传感器、射频天线等多种传感器的智能蒙皮。这种智能蒙皮可以被安装在天基防御系统空间平台的表面上，实时监视和预警来自敌方的各种威胁，预计在2010年前后能获得初步应用。美国空军莱特实验室正在把一个承载天线结合到表层结构中，与传统外部嵌置的天线相比，这种一体化结构的天线能够有效提高飞行器的空气动力性能、减轻飞行器结构重量和体积、提高天线性能、降低生产成本和维修费用。该计划预计在2013年进行模型样机的试飞。（2）结构检测和寿命预测智能结构可以对构件内部的应变、温度、裂纹进行实时测量，探测其疲劳和受损伤情况，从而实现对结构进行监测和对寿命进行预测。光纤具有尺寸小、质量轻、可挠曲、耐腐蚀，不受电磁干扰，与复合材料有良好相容性等特点，且灵敏度高、耐高温，易实现远距离测量而受到人们的青睐9。目前一些先进国家采用光纤智能材料与结构进行复合材料的状态检测与损伤估计，即在材料或结构的关键部位埋置光纤传感器或其阵列进行全寿命期实时监测、损伤评估和寿命预测10。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。压电元件由于既可作传感器又可作驱动器，频响高，处理电路简单，近年来基于压电元件的结构损伤实时在线检测成为国际上的热点。美国斯坦福大学采用分布式压电传感器、驱动器进行了复合材料结构所受冲击机冲击损伤情况的研究，荷兰国家宇航实验室、美国波音公司、美国sandia及losalamos国家实验室等研究机构也都在进行这方面的研究。形状记忆合金(sma)应用于智能复合材料是由于其在低温下的形状记忆功能和其在高温下的超弹性，应用最为广泛的是niti合金。美国应用sma制成了夹心结构树脂基复合材料用于“柔性机翼”。该机翼在各种飞行速度下可自动保持最佳翼型，提高飞行效率，并可自行抑制出现的危险振动。（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;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。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。如lord公司用超磁致伸缩材料研制的一套智能减震系统，安装在飞机发动机支架上，使机舱内的噪声减小20db以上11。将压电材料置入飞机机身内，当飞机遇到强气流而振动时，压电材料便产生电流，使舱壁发生和原来振动方向相反的振动，抵消气流引起的振动噪音10。（4）环境自适应结构由智能结构制成的自适应飞机机翼，能实时感知外界环境的变化，同时驱动机翼发生弯曲、扭转以改变翼型和攻角，从而获得最佳的气动特性，自适应机翼将大大减轻重量，提高响应速度，减少转弯半径，改善雷达散射截面，增大升阻比。例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grumman飞机公司用超磁致伸缩智能型材料作驱动组元制造的自适应机翼模型，其响应速度比传统的液压系统提高了20倍，后缘倾转60%，航程增加了35%。美国波音公司和麻省理工学院联合研究出在桨叶中嵌入智能纤维，可使电致流变体时桨叶扭转变形达几度11。3.2医学领域中的应用智能材料与现代医学联系日益密切，一些传统医疗方法得到革命性的改变,而智能材料医疗器械更是显现出其巨大的优势12。（1）人造皮肤科学家们已经在实验室里开发出了人造骨、人造血管、人造角膜、人造皮肤等人造器官。但安全性一直受到质疑,美国药物及食品管理局迄今为止只批准了人造皮肤这一个产品的市场销售13。从20世纪80年代美国麻省理工学院的bell教授发现纤维细胞可渗入胶原中生长并形成真皮类似结构到后来在此基础上开发的双层人造皮肤apligraft，人们一直想在这方面有更大的进展和突破14。1994年意大利比萨大学的科研人员研制成功一种人造皮肤智能材料，这种材料能够感知到温度、热流的变化以及各种应力的大小，并具有良好的空间分辨力。2004年日本北里大学黑柳能光教授研制出一种新型人造皮肤，为重度烧伤及褥疮患者带来了福音。该人造皮肤是一层由胶原和透明质酸制成的特殊海绵，海绵上附有志愿者提供的皮肤细胞。随着科技的发展，学科的交叉渗透,相信这种人造皮肤智能材料会得到进一步的开发和利用。（2）在药物自动投入系统中的应用智能型水凝胶作为医药控制释放材料是近年研究的热点,如:载胰岛素的pmma凝胶对胰岛素的释放受电场开关的控制,具有通断特性15;温敏水凝胶可作为骨架材料、控释膜、微球及胶团药物载体等应用形式对药物进行控释16;此外,有科学家正在研制一种能根据血液中葡萄糖浓度而扩张收缩的聚合物,这种聚合物可制成人造胰细胞,注入糖尿病患者的血液中,小球就可模拟胰细胞工作,使病人的血糖浓度始终保持在正常的水平上。（3）智能材料的抗癌应用图1所示为一种高分子聚合物抗癌药物胶囊,即药物“导弹”。图中的疏水性药物载体形成了“导弹”的疏水内核,而亲水性聚乙烯二醇则在内核周围形成了一个水化物外壳。这种高分子聚合物药物胶囊是一种智能型药物载体,它能自动避开机体内单核吞噬细胞的捕获而有效到达癌细胞所在地17。图1智能型药物释放系统20世纪90年代后期，利用对电磁场敏感的铁氧体包覆tini形状记忆合金丝，y.furuya.等18研制出了癌症温热疗法用针。首先，通过导管将这种针植入病人癌变部位，由于形状记忆作用，这种针会发生弯曲变形现象;其次，在通过涡流效应产生高频电磁场的作用下，形状记忆合金针将产生一定的热量而使癌变区得到萎缩19。3.3建筑领域的应用智能材料在建筑领域的应用研究也极为广泛，在振动控制、损伤检测、裂纹修复以及智能建筑材料方面均有涉及，并取得了一定的成效。1994年德国的calgary市建成了第一座由预应力碳纤维复合材料和钢筋结构组成的桥，在碳纤维中加入光纤布拉格光栅应变传感器构成了智能结构，以检测碳纤维预应力的损失情况。在地震多发区应用智能结构的建筑物通过振动控制，将大大提高建筑物的抗震性20。日本已研制成一种形状记忆合金，通过对合金加热收缩来防止裂纹的扩展，用于防止地震等造成的桥梁或大型建筑物的建筑、土木结构的突发性破坏。美国人则通过研究，在建筑物的合成梁中埋入形状记忆合金纤维，在热电控制下，该纤维能像人的肌肉纤维一样产生形状和张力的变化，从而根据建筑物受到的振动改变梁固有刚性和固有振动频率，减小振幅，使框架结构的寿命大大延长21。自修复行为是智能材料的一项重要功能。日本东北大学的三桥博三教授将内含粘接剂的空心胶囊或玻璃纤维渗入混凝土材料中，若混凝土在外力作用下发生开裂，则部分胶囊或空心纤维会破裂，粘接液流出后深入裂纹，可使混凝土裂纹重新愈合22。3.4智能服装和纺织品领域的应用纤维状智能材料智能纤维是指当纤维所处的环境发生变化时，纤维的形状、温度、颜色和渗透速率等随之发生敏锐响应，即突跃性变化的纤维。智能纤维能感知环境的变化或刺激(机械、热、化学、光、湿度、电磁等)，并能作出反应23。一些工业发达国家已相继开发了大批高性能、高功能的新一代化学纤维。由智能纤维做成的智能纺织品和智能服装被一些专家认为是纺织服装工业的未来24。日本曾经掀起形状记忆合金衬衫热，因为该类衬衫的纤维不缩不皱，洗后很快即可干燥，而且不需熨烫即可恢复笔挺的状态，因而受到单身上班族和家庭主妇的青睐25。自动调温纺织品是将相变蓄热技术与纺织品制造技术相结合而开发出的一种高技术产品，具有自动吸收、储存、分配和放出热量的功能。可把相变材料经过微胶囊化后结合到纤维中，织成面料做成服装。穿着这种服装的人在滑雪时，身体产生热量，这些热量会由相变材料吸收，停止活动时，身体变冷，相变材料将释放热量，进行温度调节，从而确保穿着者有一个舒适的温度。这种自动调温纺织品可用于服装、室内装饰、床上用品、鞋袜以及医疗用品26。飞利浦公司和levis公司合作生产了一种音乐夹克，是把光纤和软键盘埋入衣料内，并在衣领内植入微型麦克风和立体声耳机，利用光纤将随身携带的电子产品连接起来，实现对手机和播放机的控制，而麦克风和耳机则可与外界对话和收听广播，从而形成了一个简易的网络系统。近年来比较热的智能抗菌织物主要是在纤维内部包藏了抗菌剂，保障了纤维的耐久性和安全性27。也可将压电材料粉末加入到纤维中，压电粉末在受力后发生放电现象可使纤维具有良好的消除疲劳、抗菌、防臭等功能。3.5未来热点应用智能材料与结构发展异常迅速，虽然还是一个不成熟的领域，但由于应用迫切，其应用研究与基础研究并行发展。作为一种新技术，它在航空航天、国防军事、建筑、纺织、医学、汽车等部门都有着广阔的发展前景，其未来热点应用主要集中在以下几个方面。(1) 仿生学和航空航天随着智能材料与结构的发展，“个人航空器”取代汽车已不再是科幻小说目前已存在可调机翼的飞机，但像生命有机体一样可以伸缩和有反应能力的飞机和航天器将是研究的热点。(2) 智能传感器随着智能材料和人工智能技术特别是微型计算机技术的迅速发展，智能传感器将在各个高新技术领域得到应用。目前研制的智能材料传感器如光纤传感器、压电传感器、微芯片传感器等在各领域的应用已经取得一定成效，未来的智能材料传感器应具有更强大的功能。如：传感器自身能消除异常值和例外值，提供更全面、更真实的信息;除了自适应和自调节功能外，还有一定的智能算法及自学习功能；可通过数字通信接口而实现网络化和远程控制等。(3) 智能化住宅智能材料的发展，特别是毫米塑料设想的提出，使智能化住宅的梦想离现实越来越近。可任意改变颜色的墙壁，根据人体需要可随时调节温度的水流，随着季节变化可控温度和湿度的房屋，所有的电器都是触摸式的，永远不会再有触电的危险。这种理想的智能化住宅将显著提高人们的生活质量。3 结束语可用作智能材料的材料种类在不断扩大，所涉及到的各种材料、航空航天、医药学、生物学、信息处理、自动控制和计算机工程等都在快速发展。作为多种材料和高技术的综合与集成，智能材料的研究与开发必将具有美好而广阔的前景。其应用不仅在军事领域，而且在土木建筑、交通、水利、医学、纺织等行业也有着极为广阔的应用前景，与人们生活密切相关。随着智能材料的发展，其广泛应用还可以节省资源、减少污染，具有巨大的经济效益和社会效益。目前世界各国都在对智能材料进行积极的研究开发，其应用均取得了一定的成效，预计2010年前后智能材料将进入应用的高潮。我国各部门和科研单位对智能材料的研究与发展也十分重视，经过大量的工作，取得了一定的成效，有的方面已经走到了世界的前列，但总体研究的发展水平与西方发达国家尚有距离，仍需加大力度、共同努力，逐步缩小差距，迈入世界先进行列。参考文献1谢建宏，张为公，梁大开.智能材料结构的研究现状及未来发展j.材料导报，2006，11:6-9.2韩铭. 智能材料的研究应用及发展趋势j.河南建材，2011，03:147-150.3姜德生， claus r o.智能材料、器件、结构与应用.武汉:武汉工业大学出版社， 2000.4cristianini n，shawe taylor j.an introduction to 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