智能型复合材料.doc

智能型复合材料 人工合成的智能型复合材料又称为机敏材料或智能材料。智能材料是二十世纪90年代迅速发展起来的一类新型复合材料，因为具有高于一般材料的“智商”而倍受青睐。 智能材料的来源 智能材料（Intelligent material）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。特征 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）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。 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。图为智能材料的基本构成和工作原理。 分类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。常见的智能材料1） 光导纤维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。在日常生活中，由于光在光导纤维的传导损耗比电在电线传导的损耗低得多，光纤被用作长距离的信息传递。光纤的特点损耗小；有一定带宽且色散小；接线容易；易于成统；可靠性高；制造比较简单；价廉等。光纤的分类主要是从工作波长、折射率分布、传输模式、原材料和制造方法上作一归纳的，兹将各种分类举例如下。（1）工作波长：紫外光纤、可观光纤、近红外光纤、红外光纤（0.85m、1.3m、1.55m）。（2）折射率分布：阶跃（SI）型光纤、近阶跃型光纤、渐变（GI）型光纤、其它（如三角型、W型、凹陷型等）。（3）传输模式：单模光纤（含偏振保持光纤、非偏振保持光纤）、多模光纤。（4）原材料：石英光纤、多成分玻璃光纤、塑料光纤、复合材料光纤（如塑料包层、液体纤芯等）、红外材料等。按被覆材料还可分为无机材料（碳等）、金属材料（铜、镍等）和塑料等。（5）制造方法：预塑有汽相轴向沉积（VAD）、化学汽相沉积（CVD）等，拉丝法有管律法（Rod intube）和双坩锅法等。 二）形状记忆合金三）压电材料 压电智能材料可以将压强、振动等迅速转变为电信号，或将电信号转变为振动信号，也就是说压电材料在外电场的作用下可以产生微小变形，同时也可以将微小变形转变为电信号。而且新一代的压电材料还具有了条件反射和指令分析的能力。其特征和运转方式类似于人的神经系统，可执行类似于大脑的指令。压电材料的这种独特功能，使其在智能材料系统中具有广阔的应用前景。压电复合材料以压电陶瓷主，它克服了压电陶瓷自身的脆性和聚合物压电材料的温度限制，而更加受到重视。（四）磁致伸缩材料 目前磁致伸缩智能材料的主流是稀土磁致伸缩材料，稀土超磁致伸缩材料是近期才发展起来的一种新型功能材料。这种材料在电磁场的作用下可以产生微变形或声能，也可以将微变形或声能转化为电磁能。在国防、航空航天和高技术领域应用极为广泛，如声纳与水声对抗换能器、线性马达、微位移驱动（如飞机机翼和机器人的自动调控系统），噪声与振动控制系统、海洋勘探与水下通讯、超声技术（医疗、化工、制药、焊接等）、燃油喷射系统等领域。它具有磁致伸缩值大，机械响应速度快和功率密度高特点。 三、应用（一）“自愈”复合材料 复合材料由玻璃纤维、碳或其他材料与树脂混合而成，现在已被广泛应用于从网球拍到飞机和宇宙飞船等各种场合。但是，疲劳和磨损使这类耐用品的寿命大打折扣。汽车每颠簸一下、冲浪板每磕碰一下、马达每一次启动，复合材料都会随震动开始产生细小微裂缝。随着裂缝的逐渐扩大复合材料的强度减弱、直至断裂。为此，科学家发明了一种看似简单的方法：在复合材料中添加一种内部含有胶水的细小胶囊。胶囊的厚度只相当于人的一根头发丝的粗细，而添加方式则是把胶囊喷洒到目前仍然处于实验阶段的一种新型玻璃纤维复合材料上。 当材料表面出现细微裂纹时，这些胶囊就会破裂，沿着裂纹的走向释放出胶水，弥合这些裂纹。48个小时后，在出现裂纹的受损部位，材料强度可以恢复到原先的75。 但参与这项研究的科学家们同时发现，在高温环境下，胶水的定型固化作用会受到阻碍，“自愈”过程会由于消耗的时间过于漫长而无法适用于许多场合。正因为这个原因，这种新型复合材料投入生产和应用的时机尚不成熟。科学家正在探索的另一个应用场所是计算机印刷电路板。计算机印刷电路板通常是由多层板基材料压制在一起的，只要在其生产过程中出现细微裂纹就只能报废的问题一直困扰着人们。不过，据透露，此类 “自愈”材料投入实际应用的首选目标是宇宙飞船、人造关节和桥梁支架等。（二）“自感”复合材料 科学家们在研究试验避免和减少飞机发生飞行事故的巧妙办法时，试图使飞机上的关键结构像人体一样，具有自己的“神经系统”、“肌肉”和“大脑”，使它们能感觉到即将出现的故障，并及时向飞行员发出报告或警告。 这需要研制出高智能复合材料：首先在高性能的复合材料中嵌入细小的光纤。由于在复合材料中布满了纵横交错的光纤，它们就能像人的“神经”那样感受到不同的压力，通过测量光纤传输光时的各种变化，就可以及时知道作用在飞机机翼上压力的大小。在极端严重的情况下，光纤会发生断裂，光传输就会中断，于是就能发出即将出现事故的警告。 （三）其它智能型复合材料 美国密执安州大学的穆凯席甘迪教授在研究一种能自动加固的直升机水平旋翼叶片。这位教授也采用了能感受外界环境变化的智能材料。其工作原理是：当叶片在飞速旋转中遇到疾风作用猛烈振动而可能断裂时，分布在叶片中的微小液滴就会变成固体而使叶片得到加固，防止叶片受到破坏。人们还从人手在劳动过程中产生老茧从而使手更耐磨的实例中到启迪，研制出一种能在工作中变得更结实的高锰钢智能材料。由于高锰钢在受到冲击强力摩擦中会变得很硬，从而使它成为绝好的在行驶中横冲直接撞的坦克铁脚板履带和越敲打越结实的保险柜材料。美国弗尼吉亚理工学院智能材料研究中心研制成一种能减弱振动的飞机座舱壁材料，能使飞机平稳飞行。它是利用装在墙壁内的压电材料，使墙壁振动方向正好和原来的振动方向相反，这样就等于消除了座舱壁和窗框产生疲劳的根源。 智能材料能对所处的工作环境进行判断，并进行相应的反应，从而可继续稳定地工作。更令人感兴趣的是，新潮的智能餐具已经研制成功。这些用毫微塑料(一种新型智能材料)制成的智能碗、盆、碟，不仅能自动感知碗、盆、碟内食物存在与否，还能随之作出相应的外形变化，使之能适合各种不同的需求。不仅如此，它们一旦用来盛装食物后，还能使食物的温度始终保持不变，并能使食物保持新鲜。利用毫微塑料制成的椅子，不仅能帮助立者坐下或坐者站起，还能按主人的需要随心所欲地变换坐椅的形状，使它适合不同年龄的男女老少使用。此外，这种智能坐椅还能根据各人的需求自动升温或冷却，以提供靠坐的舒适性，甚至还能记忆家庭中每一个成员对坐椅的特殊偏爱。这种毫微塑料智能材料，其本领高强的奥秘就在于材料本身被电子化了，许多超微计算机、超微传感器和超微发射器被容纳进材料中，使它不仅具有自行处理能力，而且还具有感知周围事物并作反应的能力。我们相信在21世纪中人们会利用这些神奇