海川

科學(xué)家預(yù)言，智能材料的研制和大規(guī)模應(yīng)用將是21世紀(jì)材料科學(xué)發(fā)展的重大革命

我們正進(jìn)入一個(gè)神奇的智能化時(shí)代，智能手機(jī)、智能電視、智能穿戴、智能IC卡、智能交通、智能電網(wǎng)、智能建筑、智能小區(qū)、智慧農(nóng)業(yè)、智慧醫(yī)療、智慧養(yǎng)老、智慧城市……一系列冠以“智能”或“智慧”的產(chǎn)品和應(yīng)用越來越多地出現(xiàn)在人們的視野中，給人們的工作、學(xué)習(xí)和生活提供了快捷、便利和史無前例的智能化體驗(yàn)。

無論是產(chǎn)品的智能化，還是行業(yè)和系統(tǒng)的智能化，其實(shí)現(xiàn)都離不開互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)以及以新材料為支撐的智能器件和智能終端的發(fā)展進(jìn)步。其中，作為新材料當(dāng)中具有智能化特性的材料，雖然在智能時(shí)代具有廣闊的發(fā)展前景，并與我們的日常生活息息相關(guān)，但由于智能材料是應(yīng)用產(chǎn)品的基礎(chǔ)材料，而且大多處于技術(shù)研發(fā)階段，所以并不為外界所關(guān)注。

例如，某些太陽鏡的鏡片當(dāng)中就含有智能材料，這種智能材料能感知周圍的光，并能夠?qū)獾膹?qiáng)弱進(jìn)行判斷。此外，智能材料還應(yīng)用于手機(jī)、電視機(jī)、衣物服飾、自動(dòng)點(diǎn)火煤氣灶、眼鏡架、牙齒矯正、人造骨骼、機(jī)器人、彈性電路板、藝術(shù)設(shè)計(jì)、工程建筑、航空航天、國防軍事等各個(gè)領(lǐng)域。

請看這些神奇的智能材料應(yīng)用：人造皮膚，通過“壓電效應(yīng)”把壓力轉(zhuǎn)換成電信號，從而讓機(jī)器人可以利用這種材料產(chǎn)生觸覺；記憶合金，可應(yīng)用于各類醫(yī)療植入物，在特定的溫度下變化出需要的形狀；柔性顯示屏，這種顯示屏是通過有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）技術(shù)制作出來的可變型可彎曲顯示裝置，其具有低功耗性，是一種直接可視的柔性面板。

彈性電路板，由于電路板本身具有彈性，可適應(yīng)各種形狀的外殼，甚至可以直接嵌入衣服內(nèi)部，這種彈性材料能實(shí)現(xiàn)任意的形狀而不影響開發(fā)板本身的性能，給可穿戴設(shè)備的開發(fā)提供了更多設(shè)計(jì)上的可能性；LED“刺繡”，利用延展性極強(qiáng)的金屬導(dǎo)體配合LED燈泡，所制成的“布料”可塑性極強(qiáng)，可以把LED的燈光效果“披掛”在不同的形狀的物體表面。無論是在場景裝飾還是服飾設(shè)計(jì)上，這款“布料”都能為設(shè)計(jì)師們解決在設(shè)計(jì)時(shí)遇到的大部分問題。

在中國，智能材料已列入《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》（2006～2020 年）中，成為國家科技發(fā)展重點(diǎn)研究內(nèi)容之一?！缎虏牧袭a(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》也將智能材料作為前沿新材料予以重視，提出“加強(qiáng)基礎(chǔ)材料研究，開發(fā)智能材料與結(jié)構(gòu)制備加工技術(shù)，發(fā)展形狀記憶合金、應(yīng)變電阻合金、磁致伸縮材料、智能高分子材料和磁流變液體材料等。

作為現(xiàn)代高技術(shù)新材料發(fā)展的重要方向之一，智能材料將支撐未來高技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)家預(yù)言，智能材料的研制和大規(guī)模應(yīng)用將是21世紀(jì)材料科學(xué)發(fā)展的重大革命。

不同尋常的結(jié)構(gòu)與功能

智能材料（Intelligent material），是一種能感知外界環(huán)境或內(nèi)部狀態(tài)、并能夠判斷、適當(dāng)處理且本身可執(zhí)行的新型功能材料。其構(gòu)想來源于仿生學(xué)，科學(xué)家們的目標(biāo)就是想研制具有類似于生物各種功能的“活”材料，因此智能材料必須具備感知（傳感）、驅(qū)動(dòng)（執(zhí)行）和控制這三個(gè)基本要素。

由于一種材料的功能較單一，難以滿足要求，所以智能材料是一個(gè)由多種材料組元通過有機(jī)的緊密復(fù)合或嚴(yán)格的科學(xué)組裝而構(gòu)成的材料系統(tǒng)，使傳統(tǒng)意義下的功能材料和結(jié)構(gòu)材料之間的界線逐漸消失，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能化、功能多樣化。

智能材料一般由基體材料、傳感材料、驅(qū)動(dòng)材料和信息處理器（控制系統(tǒng)）組成。基體材料是起承載作用的智能材料結(jié)構(gòu)，應(yīng)選用輕質(zhì)的材料。高分子材料由于其質(zhì)輕、耐腐蝕、粘彈性、非線性等特征而成為首選。另外也可選用金屬材料，以強(qiáng)度較高的輕質(zhì)有色金屬合金為主。

傳感材料是在智能材料中起著傳感作用的結(jié)構(gòu)，主要作用是感知壓力、應(yīng)力、溫度、電磁場、PH值（酸堿度）等環(huán)境的變化。形狀記憶材料、電致變色材料、磁致伸縮材料、光纖材料、壓電材料、電流變體和液晶材料等都是常用的感知材料。

驅(qū)動(dòng)材料是智能材料中起著響應(yīng)作用的結(jié)構(gòu)，前面提到的形狀記憶材料、壓電材料、磁致伸縮材料和電流變體等傳感材料也都屬于執(zhí)行材料。信息處理器的主要作用是處理傳感器輸出的信號，是智能材料核心部分。另外還有一些配合特殊性能的其他功能材料，包括導(dǎo)電材料、磁性材料、光纖和半導(dǎo)體材料等。

敏感材料與驅(qū)動(dòng)材料構(gòu)成機(jī)敏材料，即同時(shí)具有感知與驅(qū)動(dòng)功能的材料。（如圖1所示）機(jī)敏材料自身不具備信息處理和反饋機(jī)制，不具備順應(yīng)環(huán)境的自適應(yīng)性。而智能材料是機(jī)敏材料和控制系統(tǒng)相結(jié)合的產(chǎn)物，集傳感、控制和驅(qū)動(dòng)三種職能于一身，是傳感材料、驅(qū)動(dòng)材料和控制材料（系統(tǒng)）的有機(jī)合成。（如圖2所示）智能材料可通過自身對信息進(jìn)行感知、處理并將指令反饋給驅(qū)動(dòng)器執(zhí)行和完成相應(yīng)的動(dòng)作，對環(huán)境作出靈敏、恰當(dāng)?shù)姆磻?yīng)。

智能材料的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，決定了其擁有不同尋常的功能和能力。

智能材料的分類及其應(yīng)用

智能材料可以從不同的角度進(jìn)行分類，按照材料的組成可分為金屬智能材料、無機(jī)非金屬系智能材料和高分子系智能材料3種類型。

金屬智能材料，主要包括由力和溫度控制的形狀記憶合金（SMA）、由磁場控制的磁致伸縮材料，它們都是重要的執(zhí)行材料。無機(jī)非金屬智能材料，主要在壓電陶瓷、電致伸縮陶瓷、電（磁）流變體、光致變色和電致變色材料等方面發(fā)展較快。高分子智能材料，由于是人工合成，品種多、范圍廣，所形成的智能材料也極其廣泛，其中主要有形狀記憶高分子、智能凝膠、壓電高分子、藥物控制釋放體系、智能膜等。

下面介紹幾種常見的智能材料及其應(yīng)用：

1、形狀記憶合金

形狀記憶合金是感知溫度（ 以及力） 而產(chǎn)生形狀改變的一類智能材料。1932年，瑞典人奧蘭德在金鎘合金中首次觀察到“記憶”效應(yīng)，即合金的形狀被改變之后，一旦加熱到一定的躍變溫度時(shí)，它又可以魔術(shù)般地變回到原來的形狀，人們把具有這種特殊功能的合金稱為形狀記憶合金。

20世紀(jì)60年代，美國海軍軍械研究所的Buehler在研究中發(fā)現(xiàn)了鈦鎳（Ti- Ni）合金具有“形狀記憶效應(yīng)”，并以此為基礎(chǔ)研究了形狀記憶合金。利用這一特性可以制成理想驅(qū)動(dòng)器，因其被加熱至奧氏體溫度時(shí)，可自行恢復(fù)到原形狀。其通常以細(xì)絲狀態(tài)用于智能結(jié)構(gòu)，主要適合于低能量要求的低頻和高撞擊應(yīng)用。

目前形狀記憶材料已經(jīng)形成了相對較大的一個(gè)門類，主要分為：形狀記憶合金、形狀記憶陶瓷、形狀記憶聚合物。其中，鈦鎳記憶合金具有輸出應(yīng)變與輸出功率大、綜合力學(xué)性能高、可加工性好等優(yōu)點(diǎn)。

形狀記憶合金主要應(yīng)用于機(jī)械工程、醫(yī)療器械、航空航天、工程建筑、交通運(yùn)輸以及日常生活中。日常生活中，利用記憶合金推出了不少新穎別致的商品，如眼鏡架、汽車的外殼等，在現(xiàn)代機(jī)器人領(lǐng)域也常常用來制作機(jī)器人的夾持器。

2、壓電材料

壓電材料是一種能夠?qū)崿F(xiàn)電能與機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的機(jī)敏材料，壓電材料主要包括無機(jī)壓電材料（分為壓電晶體和壓電陶瓷）、有機(jī)壓電材料和壓電復(fù)合材料3類。居里（Curie）兄弟在對石英晶體的介電現(xiàn)象和晶體對稱性的試驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)，壓電效應(yīng)分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)兩種情況。當(dāng)機(jī)械力作用在其上時(shí)，內(nèi)部正負(fù)電荷中心發(fā)生相對位移而產(chǎn)生電的極化，就是正壓電效應(yīng)。

壓電材料能夠?qū)崿F(xiàn)電能與機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化，具有制作簡單、成本低、換能效率高等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于熱、光、聲、電子學(xué)等領(lǐng)域。隨著壓電材料制備技術(shù)的發(fā)展， 壓電材料在日常生活、生物工程、軍事、光電信息、能源、高鐵等領(lǐng)域有著廣泛而重要的應(yīng)用。在日常生活方面，壓電材料的應(yīng)用相當(dāng)普遍，例如，手機(jī)、電視機(jī)、錄像機(jī)、自動(dòng)點(diǎn)火煤氣灶、霧化加濕器、B超、彩超、超聲美容、降脂器、理療儀等。在軍事方面，壓電陶瓷制成的聲吶系統(tǒng)能在水中發(fā)聲、接受聲波，也可用于水下、地球物理探測，以及聲波測試、夜視裝置、紅外探測器等方面。此外，還可以利用壓電陶瓷的智能功能控制飛機(jī)、潛艇的噪聲。

在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，生物壓電陶瓷主要用于實(shí)現(xiàn)生物仿生。例如，聚偏氟乙烯（P V D F）薄膜可用在人體和動(dòng)物器官的超聲成像測量中，還可用來模擬人體皮膚。在光電信息方面，壓電材料主要可用于聲表面濾波器、光快門、光波導(dǎo)調(diào)制器、光顯示和光存儲(chǔ)等，還可以用在機(jī)器人和其它智能結(jié)構(gòu)中，對外界產(chǎn)生的信號進(jìn)行處理、傳輸、儲(chǔ)存。壓電材料也可以適用于高頻和中等行程控制，包括各種光跟蹤系統(tǒng)、自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)、機(jī)器人微定位器、磁頭或噴墨打印器和揚(yáng)聲器等。

半個(gè)多世紀(jì)以來，這一巨大的產(chǎn)業(yè)一直由一種性能優(yōu)異的壓電材料——被稱為壓電材料之王的鋯鈦酸鉛（PZT）所統(tǒng)治。但是，由于PZT 含有對人體和環(huán)境有害的鉛，歐盟、日本、美國、中國等世界主要國家都在近年相繼立法禁止或限制使用含鉛等有害材料。因此，尋找能夠替代PZT 的無鉛高性能壓電材料已成為世界性的緊迫課題，它關(guān)系到一個(gè)國家在極大范圍內(nèi)的經(jīng)濟(jì)和產(chǎn)業(yè)影響力。

3、電流變液

電流變液是與磁流變體性能極為相似的混合物。這種材料在常態(tài)下是流體，其中自由分布著許多細(xì)小可極化懸浮顆粒，當(dāng)這種流體處于電場或磁場中，在電場或磁場的作用下，其中的懸浮顆粒很快形成鏈狀，從而形成具有一定屈服強(qiáng)度的半固體，這樣的電流變體或磁流變體具有響應(yīng)快、阻尼大、功耗小的特點(diǎn)。

近年來，電流變液組分不斷改進(jìn)，電流變液的電流變效應(yīng)更加明顯，同時(shí)與電腦結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，使得電流變技術(shù)在機(jī)械工程、汽車工程、控制工程等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

在汽車工程方面，根據(jù)電流變技術(shù)原理，構(gòu)成液-機(jī)耦合的機(jī)制，可設(shè)計(jì)出全新的汽車結(jié)構(gòu)、新穎的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、減震裝置、制動(dòng)裝置等。與傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品相比，具有設(shè)計(jì)簡化、應(yīng)用簡便、靈敏度高、噪聲小、壽命長、成本低、易于實(shí)現(xiàn)電腦控制的特點(diǎn)，從而在汽車傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)重大創(chuàng)新，或?qū)⑦M(jìn)一步引發(fā)一場汽車技術(shù)革命。

在機(jī)械工程方面，電流變流體材料主要用于制作各種力學(xué)零件（如無級變速器等）、振動(dòng)隔離系統(tǒng)（如避振減振裝置等）、研究膠體系統(tǒng)的傳熱和傳質(zhì)現(xiàn)象以及開發(fā)雙管熱交換器和再生熱交換器。在智能控制領(lǐng)域，電流變液可作為便于控制、連續(xù)可調(diào)的阻尼介質(zhì)，廣泛用于民用航空、機(jī)械工程、控制工程和機(jī)器人等領(lǐng)域。基于電流變體的阻尼器，通過合理控制電流的大小，調(diào)節(jié)阻尼器的阻尼特性，擴(kuò)大了阻尼器的適用范圍，改善了阻尼器的減震效果。

4、磁致伸縮材料

磁致伸縮材料能夠在外磁場作用下伸長和縮短，實(shí)現(xiàn)電磁能和機(jī)械能之間的快速和高效轉(zhuǎn)化。因此，它是兼有大輸出力和納米級高控制精度的重要智能材料。在航空航天高精度對地觀測、太空望遠(yuǎn)鏡等掃描和定位系統(tǒng)的納米級高精度微位移控制、航空航天裝備的高精度主動(dòng)減振、潛艇高分辨聲納技術(shù)以及民用高技術(shù)等領(lǐng)域均有重要的應(yīng)用前景。

國內(nèi)外智能材料產(chǎn)業(yè)規(guī)模

1、國內(nèi)智能材料市場情況

從智能材料發(fā)展的政策支持層面來看，《新材料產(chǎn)業(yè)“十二五”重點(diǎn)產(chǎn)品目錄》涉及到的重點(diǎn)產(chǎn)品包括銅基形狀記憶合金、鐵基形狀記憶合金、鈦鎳基形狀記憶合金、金屬磁致伸縮材料、稀土磁致伸縮材料、壓電材料、高性能電流變材料及彈性體、形狀記憶高分子聚合物、智能高分子膜等19種基礎(chǔ)材料。

從智能材料的應(yīng)用需求來看，隨著4G移動(dòng)通信、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、三網(wǎng)融合、下一代互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、游戲機(jī)、消費(fèi)電子、可穿戴設(shè)備等硬件產(chǎn)品的更新?lián)Q代和推出，以及國內(nèi)電子整機(jī)產(chǎn)品逐漸采用片式元件設(shè)計(jì)方案，壓電晶體材料的市場需求將會(huì)不斷增長。

從研發(fā)智能材料的企業(yè)來看，國內(nèi)上市公司主要有紫光股份、樂普醫(yī)療、有研硅股、晨晶電子、無錫惠豐、先鋒新材、安泰科技、時(shí)代新材、冠昊生物等，部分公司的智能材料產(chǎn)品已進(jìn)入實(shí)質(zhì)性產(chǎn)業(yè)化階段，并已盈利。

從不同類型的智能材料的應(yīng)用前景來看，壓電材料幾乎占總市場的50%，涉及壓電材料的企業(yè)眾多，現(xiàn)已形成市場規(guī)模為每年近百億美元的巨大產(chǎn)業(yè)；磁致伸縮材料主要應(yīng)用于電子行業(yè)；鉻電鍍材料主要用于汽車和建筑行業(yè)；而形狀記憶合金主要應(yīng)用在醫(yī)療市場；電致伸縮材料目前還處于成本較高、應(yīng)用前景不明的階段，市場前景不容樂觀。

2、全球智能材料市場情況

從智能材料的市場規(guī)模來看，有資料顯示，2010年全球智能材料市場規(guī)模在196億美元，2011年近220億美元，2016年將超過400億美元，2011～2016年智能材料市場規(guī)模年復(fù)合增長率達(dá)到12.8%。（如圖3所示）根據(jù)地域來看，美國處于領(lǐng)導(dǎo)地位，并且這種優(yōu)勢還可以保持相當(dāng)長的時(shí)間。亞太地區(qū)在智能材料的生產(chǎn)方面保持穩(wěn)定增長，特別是在生產(chǎn)壓電/電致伸縮材料上居于統(tǒng)治地位。

從不同類型的智能材料的應(yīng)用來看，智能材料的應(yīng)用范圍較為廣泛，在醫(yī)療、建筑、儀表儀器、自動(dòng)化、機(jī)器人、航空航天、電磁電子設(shè)備、各類傳感器、驅(qū)動(dòng)器和顯示器等領(lǐng)域都有應(yīng)用。智能材料應(yīng)用領(lǐng)域占比最大的部分為制動(dòng)器和發(fā)動(dòng)機(jī)，2010年的銷售收入接近108億美元，占比55%，到2016年將增至254億美元，占比接近64%，2011～2016年的年復(fù)合增長率達(dá)到15.4%。傳感器是智能材料的第二大應(yīng)用領(lǐng)域，2011年的銷售收入接近70億美元，然而智能材料在傳感器中應(yīng)用的增長率較低，2016年起銷售收入在94億美元，傳感器銷售收入占全部銷售收入的比例將降至23.4%，年復(fù)合增長率僅為6%（如圖4所示）。