智能材料———材料科学发展新趋势
 智能材料———材料科学发展新趋势
摘　要　　材料的智能化代表了材料科学发展的最新方向. 智能材料的研究主要是依照仿生学方法,采用各种先进复合技术,实现复杂材料体系的多功能复合,并最终实现材料智能化和器件集成化. 文章在简要介绍有关材料概念的基础上,总结了智能材料的设计思想、路线及合成技术途径,综述了最近国内外有关智能材料的发展动向及研究进展,指出了一些应用背景及现在面临的问题.
关键词　　智能材料,仿生,复合
1 　智能材料的概念
智能材料的构想源自仿生,目标是要获得具有类似生物材料的结构及功能的“活”材料系统. 它能够感知外界环境的刺激或内部状态所发生的变化,通过材料自身的信息处理和某种反馈机制,能实时地改变材料自身一个或多个性能参数,作出恰当的响应,同变化后的环境相适应. 有些功能材料可以感知环境变化或执行某种驱动指令,但是其自身不具备信息处理和反馈机制,不具备顺应环境变化的自适应性,被称为机敏材料,它是智能材料的低级形式. 智能材料则具有顺应环境条件变化的一些特性,如信息选择性,结构和功能候补性,行为开关性,以及自诊断、自修复、自增强等. 迄今为止,许多人对材料是否能真正具有智能存有疑问,但只要想一想最简单的、具有低级智能属性的材料———变色眼镜片,我们就可相信,赋予材料以智能,至少是部分智能属性,并非幻想.有关智能材料的研究刚刚开始,定义尚不
统一,但其内涵一般应包括:
(1) 具有感知功能,能检测并可识别外界(或内部) 的刺激强度,如应力、应变、热、光、电、磁、化学或核辐射等;
(2) 具有驱动特性及响应环境变化功能;
(3) 能以设定的方式选择和控制响应;
(4) 反应灵敏、恰当;
(5) 外部刺激条件消除后,能迅速回复到原始状态.
因此,智能材料应具备感知、处理和驱动三个基本要素. 由于现有的单一均质材料通常难
以具备多功能的智能特性,因此,往往需要两种或几种材料的复合,构成一个智能材料体系. 这是复杂材料体系的复合. 它的设计、制备、加工及结构和性能表征均涉及材料科学中最前沿的领域,集中反映和代表了材料科学的最高水平和最新发展方向.
2 　大自然的启示———对生物材料和结构系统的考察
自然界的许多生物结构系统经过亿万年的演变和进化,事实上是一个物竞天择的优化过程,因而造就了种种优良结构形式及特性.人和动物的骨骼是一种典型的多功能生物材料,它是由柔软的骨胶原和脆性的羟基磷灰石构成的两相物. 骨骼除了作为主要的框架结构材料并起到保护体内主要器官的作用外,还具有以下几种重要功能:
(1) 骨架结构的自动动态平衡;
(2) 矿物质自动动态平稳;
(3) 压电性;
(4) 热电性. 骨骼的微结构具有适应环境的特性. 例如,骨组织的数量及其在髓槽周围的分布是根据外力所产生的应力场而动态调节的. 骨骼中的组元能沿着外加力方向定位或重新定位,并能根据外加力的大小增减其质量. 许多骨组织如软骨、动脉、韧带和肌腱都是由生物聚合物构成,它们都能根据外加力大小而动态地调节其构造. 成骨细胞对压及拉应力变化敏感,而且能将机械能转变为电能. 该过程的生物电势是控制骨细胞活动和其大分子位向的指令信号. 这一生物物理过程与骨胶原蛋白质多糖的压电性能以及因生理流体流经多孔的骨干结构时所产生的流动电压或电荷有关. 通过不断的微断裂、修补和重构,骨骼能抵抗外部应力,确保骨架的自动动态平衡. 骨骼的界面也是独特的. 在骨骼与肌肉的界面处有一过渡层———骨膜,它是一个多层结构,其外层主要含粗大的胶原纤维束,彼此交织成网,向外与肌肉有良好的结合,向内则穿入外环骨板,与骨紧密结合. 中间层主要为细胞和胶原纤维,其密度有梯度变化,钙化程度也有梯度变化,一旦骨骼受到破坏,中间层的细胞能转变成骨细胞,可进行自我修复.皮肤则是一种典型的多功能复合薄膜材料,它是由具有很好柔韧性、能自修补并可防水的多层水类脂体薄膜构成的,其主要功能有:
(1) 传感;
(2) 防止异物如有害细菌、病毒或化学物质进入体内;
(3) 促进分泌;
(4) 防止体内流体脱溢和体内脱水;
(5) 调节体内温度;
(6) 保护人体免受过度辐照等伤害. 皮肤由表皮层、真皮层和上皮层组成. 表皮层的厚度大约为01005mm ,主要由死的含有角蛋白的脂肪细胞组成,它不仅防水,而且保证了表皮的柔韧性. 表皮层虽然没有神经感觉器官和血管,但含有小粒状的黑色素,它是在阳光下晒黑和出现雀斑的根源. 这一防卫机制可保护身体免受过度辐照等伤害. 真皮层大约比表皮层厚20 —40倍,为一种致密的结缔纤维组织. 这些胶原蛋白纤维从与表皮层的界面处到与下皮层的界面处密度呈梯度增加. 纤维间布满了复杂的血管、神经末稍、汗腺、发囊和一种能愈合皮肤损伤的无定形材料.
生物结构系统独特的宏观和微观结构形式及其功能机制,其对环境的自适应性和生存能力及自诊断和自修复等功能,给人们以深刻启迪,值得认真研究、学习和借鉴,以期模仿其原理建构智能材料.
3 　智能材料的设计
通过对生物结构系统的研究和考察,智能材料有了可借鉴的设计及建造思想、模型和方法. 从仿生学的观点出发,智能材料应具有或至少是部分具有以下一些生物智能特性:
(1) 感知;
(2) 反馈;
(3) 信息积累和识别;
(4) 学习能力和预见性;
(5) 响应性;
(6) 自维修;
(7) 自诊断;
(8) 自动动态平衡及自适应等 .
新材料的发展提供了可选择的可合成智能材料系统的组元. 许多材料本身具有内禀的一些“智能”特性,例如,一些材料的性能如颜色、形态、尺寸、机械性能等随环境或使用条件的变化而改变,具有内禀的自诊断、学习和预见能力、刺激- 响应能力以及对信号的识别和区分能力;还有一些材料的结构或成分可随工作条件而变化,从而具有一种对环境的自适应和自调节功能;一些材料的电性能及电阈值,光及光电阈值及其他物理或化学性能随外部条件不同而变化,因而除了识别和区分信号、自诊断、学习和抗刺激能力外,还可发展成具有动态自动平衡及自维修功能. 具有各种独特功能或性能并可用于建构智能材料系统的材料正在不断丰富和完善. 目前可用于智能材料系统中的人工肌肉———驱动器材料的主要有形状记忆合金、压电材料、电致伸缩材料、磁致伸缩材料、电流变体和磁流变体以及凝胶等 . 这些材料可根据温度、电场或磁场的变化而改变其形状、尺寸、位置、刚性、自然频率、阻尼和内耗以及其他一些机械特性,因而具有对环境的自适应功能.
智能材料系统要求具备的最为关键的功能之一是传感,无论是智能处理还是驱动控制都要求传感网络提供描述系统状态的准确信息. 用于这一人工神经网络的材料主要有光导纤维、压电陶瓷和压电高分子以及其他各种传感器材料,其中尤以光导纤维最为重要. 光纤作为信息传输材料的优异性能是其他任何材料都无法比拟的. 通过分析光的传输特性(光强,位相等) 可获得光纤周围的压力、压强、密度、电场、磁场、温度、化学成分、X 射线、γ射线等因素的变化,因而广泛用作传感元件或智能材料中的“神经元”,其特点是具有反应灵敏、抗干扰能力强、耗能低等多项优点.利用现有的在技术上已较为成熟的机敏材料作为组元进行复合是创构智能材料的一种技术途径. 这要求采用各种最先进的材料复合技术. 提出的问题都具有挑战性,例如,一般的复合材料,其复合效应往往是线性的相加或互补,但智能材料的复合效应更多的是非线性的,对界面结构和性能要求更加严格. 有关合成技术可从半导体及自控技术中吸收和借鉴许多经验,例如用硅片制作复杂电路的方法,合成电子器件的途径,人工智能及神经网络技术,自适应及优化控制系统的理论和模型等都可借鉴用于智能材料系统的设计要获得真正的智能材料,仅在宏观及微观尺度上的结构设计和控制是不行的,必须在纳米或分子及原子的尺度上进行人工结构组装和复合. 这方面的探索具有更大的挑战性,面临的技术难题更多,但一旦有所突破,将极大地推动材料科学的发展.
5 　问题和展望
设计和合成智能材料需要解决许多关键技术问题,这些问题既富有挑战性又意义重大. 智能材料这一复杂体系的材料复合首先应能仿照生物模型,确保在设计的结构层次上将多种功能合成于一体,建立起传感、驱动和控制网络,搞清楚复杂的复合效应,然后建立数学或力学模型,进一步进行优化. 这一过程涉及的许多问题都是材料科学研究中的前沿课题,例如,智能材料系统中不同材料组元怎样才能保证在复合后具有良好的互适性及动力学互协调性? 如何才能获得生物结构系统中那种稳定的、物理化学相容性良好的多层或梯度界面结构? 复杂体系材料多功能复合后其线性及非线性复合效应如何? 怎样调节复合度、连接方式和对称性等因素才能使材料获得优化的张量组元数值? 涉及的其他一些重要问题还有:智能材料体系的本构关系、数学模型、仿生模拟及计算方法;体系的宏观及细观力学;多因素的耦合作用效应;体系稳定性及时效和失效行为;相变特征及滞性控制等,所有这些问题都需要进行全面、深入和系统的研究.智能材料的定义及内涵是十分广泛的,涉及的材料从无机到有机,结构层次从宏观(如大型工程结构件) 至微观(如纳米组装材料) . 智能材料的重要性体现在两个方面:一方面,由于智能材料科学是多学科交叉的一门科学,与物理、化学、力学、电子学、人工智能、信息技术、材料合成及加工、生物技术及仿生学、生命科学、控制论等诸多前沿科学及高技术领域紧密相关,一旦有所突破将推动或带动许多方面的巨大技术进步;另一方面,智能材料有着巨大的潜在应用背景,例如材料的智能化和器件集成一体化更容易实现结构微型化,由于能在线感觉,并可通过预警、自适应调整、自修复等方式,预报以至消除危害性“病兆”,从而极大地提高关键工程结构件的安全性和可靠性,避免灾难性事故的发生. 正是由于智能材料的重要性,因而引起了各工业发达国家的重视,预计在21 世纪,智能材料将引导材料科学的发展方向,其应用和发展将使人类的物质文明进入更高的阶段.