智能材料的应用与展望

智能材料的应用与展望

0智能材料系统的蛆元和结构

智能材料模仿生命系统，感知环境变化，实时改变多个性能参数。根据自己对环境变化后

的期望，以及适应变化后的环境的能力可以是一个配合的材料或材料的复合。同时，它具

有感知功能，即信号感知功能（传感器功能），具有自己的评估和结论的功能（信息处理

功能），以及命令和自己的行动（行政职能）的功能（感知、反馈和反应是三个基本因

素）。不仅可以评估环境，而且还可以适应环境。例如，生物组织类似于活动体的组织，

例如自我诊断、外部伤口愈合、环境适应、预测的长度、独立、自我学习、自我重组、自

我重组、自我恢复和积极改变外部环境的功能。这种材料不是传统的单株组织结构，因此

被称为智能材料系统。

智能材料的基本组元有:光导纤维,压电材料，电磁流变体,形状记忆合金,磁致伸缩材料，各

类半导体敬感材料和高分子智能材料，所有这些都在智能材料和系统中有着广泛的应月.

1997年1月6日《华盛顿邮报》以''智能材料可以产生奇迹”为标题描述了智能材料与结

构的未来.文章说:过不了多久,智能飞机的机翼可以象鸟的翅膀一样弯曲，自动改变形状，

从而提高升力和减少阻力;桥梁和电线杆在快要断裂时可以发出报警信号，然后自动加固自

身的构造;空调机可以抑制振动而寂静工作;手枪只有在主人使用时才能开火;轮胎需要充

气时会礼貌地通知司机;反应灵敏的人工肌肉可以以假充真.随着科技的发展,不但这些都

能成为现实,实际上智能材料所能做到的将会更多.

1智能材料的应用前景和发展趋势

1.1空军在航空飞机中

（1）飞机机翼抗振设计

最早引起社会兴趣和工业界重视的智能材料结构是美国人研制的具有减振效果和诊断功能

的“智能材料机翼”，在飞机的机翼部件中，埋入光导纤维等内应力传感器,这些传感器系

统能将飞机机翼各个部分的重力情况及时告知信息处理中心,进而反馈信号,使机翼及时平

衡和抵消多余的振动.而执行减振驱动指令的则是形状记忆合金及其网络.

（2）智能材料系统

不仅是飞机,其它飞行器如火箭、卫星,还有潜水艇等的表皮都应有随外界条件变化而变化

以及探测周围环境的能力,具有这样功能的表皮（蒙皮）称为智能（或机敏）表皮（蒙皮）.未来

飞机蒙皮不仅起机翼作用，由于采用智能材料系统，它可以检测飞行速度、温度、湿度等各

种气象条件,并能对变化的环境做出反应，如改变机翼形状等.另一功能是适合于当前的电

子战，即具有识别、人为干扰、隐蔽通讯、威胁警告和电子保障系统.对于材料内部的缺陷

和损伤，智能表层能进行自诊断、自修复、自适应，还能抑制噪声和振动;对于航空航天飞

行器座舱能够自动通风、保暖和冷却.

(3)基于可控气动弹性控制的早期发射

如果在翼面中埋入传感元件和驱动元件,利用驱动元件改变机翼翼面下表面的曲度,就可使

机翼具有足够的升力而不增大阻力.也可.以利用驱动元件改变机翼前缘和后缘的角度等，传

感元件监测动作的情况和程度，以达到自适应气动弹性控制.设计者认为如果能研制出可变

翼剖面的智能机翼,就可提高升阻比，降低燃料消耗，一架装有智能可变机翼的大型民航机，

在燃料不变条件下能多运载10%以上的旅客.对于歼击机己有飞行试验证明能提高机动性和

速度.

(4)天线内传感器和控制

如空间站的天线,在地面上是收拢的，到高空缓慢地展开,尺寸很大又细长,形状和方向精度

要求很高，在空间无重力、无阻尼作用下，必须采用能实现主动控制振动和形状的智能桁架

结构.航天器的天线对反射面的形状要求是很高的，如直径为10m,要求表面精度的均方根

值为0.5mm.在天线反射而边界上布置一批驱动器和测量表面误差的传感器,在天线内还有

控制驱动器的编码器和控制电路.当传感器测出表面误差不符合要求时由控制电路通过编

码器激励驱动器,改变缆索长度,实现自适应控制.智能天线结构中集成了传感元件、控制

处理元件和动作元件，传感元件即为天线元件,而控制处理元件•般仍采用人工神经网络.

航天飞机和空间站的对接和停泊是必须进行的，目前正在研究的是在空间站上采用装有驱

动器、传感器和控制系统的智能泊位机构，并训练一个神经网络去引导泊位机构，使得两者

能实现自适应对接过程.

(5)飞机结构状态的监控

为了保证飞行安全,无论是民用还是军用飞机都必须随时监测，甚至离开服役现场大修检测

飞机结构中将埋入传感器:它将与人工智能、信号处理器和适当的计算机硬件一起,连续及

时地评价飞机结构的状态和完整性，以防止发生突发性灾难.这些埋入的传感器和计算机网

络将监视飞行载荷、环境及结构完整性.这些措施可以简单地告诫驾驶员飞机结构的内部

缺陷和结构失效已经发生的部位,或者是机翼结冰超过规定重量值将影响飞行性能,是否需

要采取措施,如除冰等.

在军舰方面也需要智能表层，它应能调整军舰的外壳特性，减少和改变舰上发出的声音，使

敌方声纳检测不到我舰的声讯号；同时可以将军舰表皮模仿海豚的皮肤,减少阻力，也要求

表层材料本身能够做到自诊断、自适应、自修复.

1.2用于智能材料系统的金和电流的形状记录、电流磁和光束纤维材

料的设计

(1)形状记忆合金在智能材料中的应用

主要用于机敏结构系统的研究开发项目中，如诱发相变调节器(InducedStrainActuators)

用于消除低频噪声、以及形状记忆合金为基的机敏结构,美国海军发展的静自密封材料调

节技术(AQuietSelf-containedActuatorTechnology),要求形状记忆合金相变滞后小

于1℃,相变温度150℃以上，寿命循环达107^108次，工作强度要超过273MPa.在智能材

料系统中形状记忆合金的工程化应用目前仍存在一些困难,要解决材料自身的限制，如反应

时间慢、滞后时间过宽、界面应力集中、相互作用及控制等问题.

(2)结构的刚度、能耗和动态特性

在智能材料系统中它是调节执行器的候选材料之一.结构材料对给定载荷的静态反应主要

决定于结构的刚度,而动态反应却由结构的质量、刚度和能耗决定，同时也与动态激发性质

有关.那末,为了控制结构静态和动态行为，结构必须具有本征地改变质量、刚度和能耗的

能力，因为电流变体材料具有电依赖的力学行为，如果它们埋在固体介质中，则利用电讯号

便可控制整个材料系统.

(3)光纤传感特性

它是利用两种介质面上光的全反射原理制成的光导元件,通过分析光的传输特性(光强、位

相等)可获得光纤周围的力、温度、位移、压强、密度、磁场、成分和x射线等参数的变

化，因而广泛用作传感元件或智能材料中的“神经元”，具有反应灵敏、抗干扰能力强和耗

能低等特点.

1.3压敏混凝土材料

大型混凝土结构的安全性诊断,是国内外智能材料系统研究的重点之一.日本东京大学柳田

博明等人将碳素纤维和玻璃纤维组合,埋入混凝土中，以检测混凝土的应力状态和形变量.

两种纤维在电学性能及力学性能方面的互补性,使纤维在增加强度的同时,还能通过纤维电

阻的变化分析出混凝土中的受力状态、形变程度和破坏情况,起到诊断裂纹和警报损伤甚

至预测服役寿命的作用.它们已经把这种纤维增强的混凝土智能材料成功地应用于银行等

重要结构设施的防盗报警墙体.我国沈荣大等人研究的一种对压力敏感的压敏混凝土材料，

有较好特色和实用性.他们在混凝土中加入1冬的碳素短纤维后，其电阻会随所承受压力而明

显变化。根据其电阻变化的特征,可以判断出混凝土材料的安全期、损伤期和破坏期，达到

诊断效果.将这种复合材料做成规则块状传感器,埋入大型混凝土结构中，并辅以网络结构

系统,可以判断出大型构件所受压力的位置和受力面积大小.如果内部各个部位的温度不同,

会产生电动势差,进而可以通过检测各部位电动势的变化,来判断大型结构部件内部温度场

的分布情况,形成所谓温敏混凝土.还可以利用电热效应对混凝土结构加热,研究者称之为

对应力敏感,利用这一特性,这种材料不仅可用作结构材料而且可用作智能材料,用于结构

监测和损伤评估.③试验应力分析:利用埋入光纤测量混凝土的强度、弹性及位移等,在此

基础上设计结构,将使结构设计更经济和安全.例如将光纤阵列埋在机场跑道上,可以测得

飞机起飞着陆时跑道上的应力状态,得到二维应变图，有利于跑道再设计和对跑道的维修.

用纤维压缩法确定混凝上弹性模量及现场进行对比试验,在距离表面几厘米处埋入绞和光

纤,借助于安装在混凝土表面上的手摇螺旋器把压力施加给纤维，当施加的压力增大时,绞

合光纤的曲率增大,光纤管检测到的光通量增加,一定压力下,混凝土的强度和模量与光通

量有关.在混凝土中埋入单模偏振型光纤传感器,混凝土受载荷时光面产生旋转，由光敏管

检测出旋转情况，即可得到混凝土的强度和模量.

（4）机制触发自修复作用

可采取定期检测并触发其自修复功能（如用电激发等）的方法,也可结合太阳能混凝土研究,

混凝土中置入太阳能转换机制，当出现裂纹时,转换机制动作,直接触发或通过另外的机制

触发自修复作用（打破原子微区反应的壁垒-包囊等）；植入纤维或形成电解质（或绝缘物质）

薄膜包裹，出现裂纹后电性能发生变化,然后通过某种机制触发原子微区反应.技术原理

为：（a）原子微区反应导致自修复作用；（b）裂纹应力触发自修复作用；（c）断裂表面能增加触

发自修复作用；（d）新鲜表面的氧化作用和吸附作用触发自修发作用；（c）裂纹产生前后的温

湿度变化触发自修复作用；（f）混凝十.本征结构破坏触发自修复作用；（g）周期性自检触发自

修复作用；（h）其它机理导致自修复作用.

1.4监测受载和强度的要求

桥梁是承受动载荷的构件,易被大气污染,因此往往要求能够监测它的受载和强度,并且根

据监测结果来指导维修,这样可以大大减少定时检测和维修费用.

（1）桥座受载情况测量

在桥面和桥墩之间有桥座,其功能是将载荷从桥面传递到桥墩,增加桥面的自由度并减少动

态影响.桥座是由弹性层、加强板组成的堆积体,在其中放置了光纤传感器,它是采用微弯

技术的多模光纤传感器，一端为发光管,将光耦合进光纤，另一端为光敏管.桥座受载情况发

生变化时,微弯器对光纤作用，使光纤输出的光强发生变化,从而光敏管的输出改变,测试光

敏管的信号变化则可以了解桥座受载情况.

（2）根预应力筋

例如在Kererkusen的Schiessbergstrasse大桥上，设计者们将光纤埋入收缩量很小的合

成树脂砂浆中，组成预应力筋,每根预应力筋中安装两只光纤传感器,实现了长期监测.1993

年,在加拿大的Calgary建造了一座新型的两跨度公路桥，名为BeddingtonTrai1桥.在这

座桥梁的桥墩部分首次采用了碳纤维复合材料替代混凝土中的钢筋.同时这座桥梁的另一

处创新之处还在于在桥梁中也布置了光纤布拉格光栅传感器，以监测使用过程中碳纤维复

合材料替代钢筋的效果及桥梁内部的应变状态.为了补偿温度的影响,桥梁中还埋入了传感

器以测量温度.

(3)基于力多边化的统一控制系统的特点

现代吊索桥的跨度可从2。0m到3000m,结构柔性较大，易于受环境因素的影响，尤其是在

地震、强风的影响下,对长跨度吊索桥的分析要有一些独特的特点.为避免一阶段扭转模态

的出现，研究设计了以下系统:在桥的两边各有两个配重,当桥截面旋转时，两配重将相对桥

体移动.一根扭力棒沿一加强桁架将在桥的长度方向移动并弹性地约束滑轮,这实际上是通

过将一绳索绕在加强桁架上来实现的.通过滑轮附近的摩擦控制器可调整配重和扭力弹簧

系统,这一系统仅在一阶段扭转模态下动作，可避免一阶扭转模态的出现,从而保证长跨度

吊索桥在强风情况下的安全.

1.5sma在机械动作元件中的应用

形状记忆合金(SMA)能够感知温度或位移的变化,可将热能转换为机械能.如果控制加热或

冷却,可获得重登性很好的驱动动作.用SMA制作的热机械动作元件具有独特的优点,如结

构简单、体积小巧、成本低廉、控制方便等.近年来，随着形状记忆合金逐渐进入工业化生

产应用阶段,SMA在机器人中的应用(如在元件控制、触觉传感器、机器人手足和筋骨动作

部分的应用)十分引人注目.

1.6断续通气处理

中科院沈阳金属所的研究发现，用强脉冲的方法,对金属材料进行断续通电处理,能愈合材

料内部的一些裂纹和缺陷，使金属达到自愈合的效果.西北工.业大学的研究表明，将内部充

填有粘稠物质的空心管状物埋入无机材料中，能使无机材料达到裂纹自愈合的效果.

1.7应变控制策略在智能结构中的应用.

智能材料系统最成熟的应用之一可能是主动结构声控.例如,飞机壳体的振动来自飞机发动

机.具体控制方法是由机敏材料(形状记忆合金纤维,压电陶瓷等)做成诱发应变调节器

(Inducedstrainactuators),把它分布在振动结构中.它以低频作用一个力在结构上，抵

消那些能够向外辐射的声振动模式,从而控制低频噪声,而不是采用让整个结构停止振动的

方法.诱发应变调节器另一作用是改善材料的疲劳寿命.据报导,美国弗尼吉亚州立大学和

工学院(VirginiaTech)在实验室使用压电陶瓷调节器抵抗高应力集中处的应变，使零件的

疲劳寿命延长一个数量级,这是目前使用智能材料系统研究解决结构疲劳的具体尝试.

在智能材料与结构中，传感元件对结构的振动进行监测，驱动元件在微电子系统的控制下准

确地动作，以改变结构的振动状态.这样就出现了具有振动和噪声主动控制功能的智能结构.

应用形状记忆合金可设计出具有减振降噪功能的智能结构.

1988年6月，美国密执安州立大学复合材料与结构中心实验室的M.V.Gandhi等人首次公

布了将电流变体与复合材料相结合的智能复合材料的研究结果.他们在复合材料悬臂烫的

空腔内注入电流变体,通过外加电场改变电流变体的状态,从而实时控制梁的刚度、阻尼，

实现了对结构整体振动的主动控制.

1.8在医药方面的应用

可以将部分网球拍的网丝换成形状记忆合金丝,用开关控制激励形状记忆合金丝,这样的网

球拍具有不同的柔性,击出的球具有不同的力度,使对方无法估计球的落点和力度.在医药

方面的应用更是方兴未艾.如利用形状记忆合金丝治疗肺血栓和连接断骨,矫正骨骼畸形等;

又如智能医用胶带,不仅能加快伤口愈合,防止感染,并能在伤口愈合后自动脱落，使病人无

痛苦；由机敏材料制造的药物送进系统可以像潜水员一样进入人的体内，监测人体生理变化;

由机敏材料制造的人造器官如人工胰脏、肝、胃等可代替人体器官.如人造胰脏可以连续

观测病人的血糖水平,又能准时地释放适当胰岛素.

1.9作为环境组合材料

智能材料在服装方面也大有应用前景,如用智能材料制成的服装，其尺寸、导热性和孔隙度

能随着周围环境（温度、湿度）的变化而变化，保证美观和舒适.

1.10入射光线的特性

智能玻璃是一种新型的智能材料，它的光学特性可以根据入