北方科技信息研究所

白子龍

一、智能材料的特點(diǎn)及分類

智能材料（Intelligent/Smart Material）是自20世紀(jì)90年代開始迅速發(fā)展起來的一類新型功能材料，其集仿生、納米技術(shù)及新材料科學(xué)于一身，是21世紀(jì)最具有發(fā)展?jié)摿Φ那罢靶匝芯款I(lǐng)域之一。

與傳統(tǒng)材料不同，智能材料不僅僅以單一的材料形式存在，而是以某一智能化體系方式存在。由此給出智能材料的定義是：由多種材料組元通過有機(jī)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)。因此，智能材料必須具備感知、驅(qū)動和控制這3個(gè)基本功能要素。特殊的結(jié)構(gòu)特征使得智能材料能夠?qū)Νh(huán)境條件及內(nèi)部狀態(tài)的變化做出精準(zhǔn)、高效、適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)，同時(shí)還具備傳感功能、信息存儲功能、反饋功能、響應(yīng)功能、自診斷功能和自修復(fù)能力（見圖1）等特征。

智能材料按照功能結(jié)構(gòu)劃分主要分為新型功能性材料、功能轉(zhuǎn)化材料及新型結(jié)構(gòu)材料三大類。根據(jù)智能材料的功能特征，可將其分為感知材料和響應(yīng)/驅(qū)動材料兩大類，如圖2所示。

感知材料對外界的刺激具有感知作用，可用于制造傳感器，其可感知外界環(huán)境刺激并以此進(jìn)行信息采集。感知材料種類繁多，包括電感材料、光敏材料、濕敏材料、熱敏材料、氣敏材料、光導(dǎo)纖維、聲發(fā)射材料、形狀記憶材料、磁致伸縮材料、壓電材料、電阻應(yīng)變材料等。

響應(yīng)/驅(qū)動材料可對外界環(huán)境條件或內(nèi)部狀態(tài)發(fā)生的變化做出響應(yīng)或驅(qū)動，可用于制造執(zhí)行器。智能系統(tǒng)的執(zhí)行器類似于生物體的肌肉，它在外界或內(nèi)部狀態(tài)變化時(shí)做出相應(yīng)的響應(yīng)，這種響應(yīng)可以表現(xiàn)在力、位移、顏色、頻率、數(shù)碼顯示、信息存儲等各方面。可用作執(zhí)行器的材料包括形狀記憶材料、壓電材料、電流變體、磁流變體、磁致伸縮材料、電致伸縮材料和某些智能高分子材料。

二、智能材料研究進(jìn)展

智能材料擁有很多普通材料不具備的特殊功能，現(xiàn)已逐步成為研究的重點(diǎn)與熱點(diǎn)，并且在物理、化學(xué)、電子、航空航天、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。近些年來，形狀記憶材料、自修復(fù)材料、光熱敏感材料、壓電材料等引起了人們的廣泛關(guān)注。

（一）形狀記憶合金的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大

形狀記憶合金（SMA）是一種具有“記憶”效應(yīng)的合金，其可以在加熱升溫后完全消除在較低溫度下發(fā)生的變形，恢復(fù)變形前的原始形狀。形狀記憶合金由于具有優(yōu)異的性能而被廣泛應(yīng)用于日常生活中，以及航空航天、機(jī)械電子、生物醫(yī)學(xué)、橋梁建筑、汽車工業(yè)等領(lǐng)域。

2016年 11月，受鐵定甲蟲擁有強(qiáng)壯的外骨骼啟發(fā)，英國BAE系統(tǒng)公司開發(fā)出一種新型車用懸掛系統(tǒng)，該懸掛系統(tǒng)采用鎳鈦記憶合金制成，可保護(hù)軍用車輛免受爆炸等惡劣作戰(zhàn)環(huán)境的影響。傳統(tǒng)的懸掛系統(tǒng)采用彈簧減震，BAE的新型懸掛系統(tǒng)可完美替代舊式懸掛，并且在爆炸環(huán)境下可恢復(fù)原狀。BAE目前已開發(fā)出記憶合金懸掛系統(tǒng)的原型，該原型已通過5次爆炸測試。新型懸掛系統(tǒng)擁有的出色防爆特性源于形狀記憶合金的高強(qiáng)韌材料結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)能夠適應(yīng)多變的戰(zhàn)場環(huán)境，將有效提升武裝部隊(duì)的靈活性和生存能力。

圖1 智能材料的功能特征

圖2 智能材料的類別

2017年11月，美國國家航空航天局（NASA）成功研發(fā)出使用記憶合金制成的免充氣輪胎（見圖3），用以取代老款的探測車輪胎。這種新材料是一種鎳鈦合金（Nickel Titanium）。一般金屬在外力作用下會不斷延伸直到斷裂，但是這種鎳鈦合金在負(fù)載之下，其原子結(jié)構(gòu)會重新排列，導(dǎo)致外形發(fā)生改變，當(dāng)負(fù)載減輕或者消失之后，其原子結(jié)構(gòu)會再次重新排列，形狀也隨之復(fù)原。這種記憶合金可以實(shí)現(xiàn)在變形30%的情況下卻不發(fā)生永久變形或者損壞；其還能夠在延伸10%之后恢復(fù)原本的形態(tài)，而普通金屬材質(zhì)只能延展0.3%～0.5%，可以看出記憶合金在此方面優(yōu)勢明顯。這種記憶合金輪胎的優(yōu)點(diǎn)在于不會像充氣輪胎一樣存在泄氣或者爆胎的風(fēng)險(xiǎn)，也不容易受到溫度變化的影響。

圖3 記憶合金輪胎

2018年9月，美國德州農(nóng)工大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種新型智能材料，這種材料有望顯著提高噴氣發(fā)動機(jī)的燃油效率，降低飛行成本。同時(shí)，利用該材料還可降低飛機(jī)產(chǎn)生的噪聲。研究人員利用高熵合金材料的工作原理來提高高溫形狀記憶合金的工作溫度。高熵合金由4種或更多種金屬元素以大致相等的量混合在一起組成。該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了由4種或更多已知可形成形狀記憶合金（鎳、鈦、鉿、鋯和鈀）的元素組成的材料，而沒有加入金或鉑元素。當(dāng)以相同的比例混合這些元素時(shí)，所得到的材料可以在遠(yuǎn)高于500℃的溫度下工作，其中一種材料甚至可在700℃下工作。這種高溫形狀記憶合金可以根據(jù)飛機(jī)工作模式的不同，自動改變核心排氣口噴嘴的尺寸，以提高飛機(jī)在飛行狀態(tài)下的運(yùn)轉(zhuǎn)效率，同時(shí)使得飛機(jī)在著陸狀態(tài)時(shí)更安靜。

（二）自修復(fù)材料實(shí)現(xiàn)裝備低成本維護(hù)

材料損傷是影響材料功能的主要原因之一，微觀損傷進(jìn)一步發(fā)展引發(fā)的宏觀損傷是對材料耐久性的最大考驗(yàn)。如果能對這種早期的損傷或者裂紋進(jìn)行修復(fù)，那么對消除安全隱患、增強(qiáng)材料的強(qiáng)度和延長材料的使用壽命則具有重大意義，自修復(fù)材料恰恰可以滿足這類需求。在現(xiàn)代工業(yè)裝備中，自修復(fù)材料由于可以感知環(huán)境變化并實(shí)時(shí)做出反應(yīng)，故可以實(shí)現(xiàn)裝備在早期損傷情況下的低成本維修甚至是零成本維修的目標(biāo)。

2016年12月，美國加州大學(xué)河濱分校的研究人員受“金剛狼”（具有自我修復(fù)能力的漫畫人物）的啟發(fā)，研發(fā)出一種透明、可延展的自修復(fù)導(dǎo)電材料，該材料在受損后，僅需24h即可自我修復(fù)。其具有良好的延展性，長度可延伸約50倍。這項(xiàng)研究基于“離子偶極交互”機(jī)制，創(chuàng)造性地將離子導(dǎo)體技術(shù)與自修復(fù)材料結(jié)合在一起。研究人員在測試時(shí)發(fā)現(xiàn)，在電信號刺激下，這種材料擁有像人類肌肉一樣的應(yīng)激性。這種材料未來有望用于驅(qū)動人造肌肉，也可用于提高電池、電子設(shè)備和機(jī)器人的性能。

2018年7月，美國海軍研究署和卡內(nèi)基梅隆大學(xué)共同研發(fā)出可自愈金屬-彈性體復(fù)合材料，成功解決了柔性材料無法自修復(fù)的難題。這種材料制成的電路具有高度柔性，可以在極端的機(jī)械損傷下創(chuàng)建繞過受損區(qū)域的新電氣連接，從而進(jìn)行自我修復(fù)，并且無需引入外部的能量及設(shè)備，如圖4所示。這種新型金屬-彈性體復(fù)合材料可以大幅提升柔性電子設(shè)備的使用壽命和性能，在軟體機(jī)器人、仿生機(jī)器人和可穿戴電子設(shè)備領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。經(jīng)過試驗(yàn)，在這種新材料制成的電路上引入切割、穿孔等機(jī)械損傷，電路的導(dǎo)電性能沒有明顯的變化，并且可以承受180°折疊和1.32MPa的壓力1000余次。該材料的自愈機(jī)理為在遇到機(jī)械損壞后，其可自動重構(gòu)并保持導(dǎo)電性，如圖5所示。

圖4 由可自愈金屬-彈性體復(fù)合材料制成的復(fù)雜電路可承受拉伸和扭曲

圖5 可自愈機(jī)理

2019年2月，美國南加州大學(xué)維特比工程學(xué)院的研究人員開發(fā)出了可自修復(fù)的3D打印橡膠材料。這種材料可實(shí)現(xiàn)快速制造，且在遭遇破裂或刺穿后可以進(jìn)行自我修復(fù)。這種材料將為鞋類、輪胎、軟體機(jī)器人甚至電子設(shè)備制造帶來革命性的改變，在縮短制造時(shí)間的同時(shí)延長產(chǎn)品的使用壽命。新型材料使用基于光聚合的3D打印方法制造，即通過光把液態(tài)樹脂材料固化成所需圖形或形狀。在短短5s內(nèi)，可以打印出邊長為17.5mm的正方形，在大約20min內(nèi)完成整個(gè)物體的打印，材料受損后可以在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)自行修復(fù)。該材料在被切成兩半后，置于60℃環(huán)境下2h即可完全愈合，并且強(qiáng)度和功能得以保持。研究人員正在開發(fā)其他不同硬度的可自愈合材料，從現(xiàn)有的軟橡膠到剛性硬塑料，并嘗試將其應(yīng)用于車輛部件及防彈衣。

（三）光敏感材料實(shí)現(xiàn)智能材料多功能化

光敏感材料是指特制參數(shù)隨外界光輻射的變化而明顯改變的感知智能材料。利用這一特性可以按需實(shí)現(xiàn)光敏感材料的功能，例如，電磁波譜的選擇特性、復(fù)合材料的強(qiáng)度特性、液晶材料的自變形特性等。

2018年4月，美國杜克大學(xué)研制出首個(gè)非金屬動態(tài)可調(diào)超材料，這種超材料由一系列獨(dú)立的硅單元組成，通過控制網(wǎng)格中每個(gè)位置電磁波的振幅和相位，實(shí)現(xiàn)超材料可重構(gòu)。研究人員以特定頻率的光轟擊硅柱體，這種工藝被稱為“光摻雜”。由于轟擊過后的硅柱體表面激發(fā)出了電子，傳統(tǒng)的絕緣材料便具有了金屬特性，新釋放的電子使硅柱體與超材料表面的電磁波相互作用。硅柱體的尺寸決定了相互作用的光頻率，而“光摻雜”的角度則決定了如何調(diào)控電磁波。研究人員選取合適的硅柱體尺寸，使其工作頻率為介于微波和紅外光之間的太赫茲波段，這樣，通過控制光的波長可以改善衛(wèi)星間的寬帶通信，也可改進(jìn)安檢掃描技術(shù)。動態(tài)可調(diào)超材料的傳輸特性如圖6所示。

圖6 動態(tài)可調(diào)超材料的傳輸特性

2018年5月，美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室和美國馬里蘭大學(xué)宣布開發(fā)出了一種先進(jìn)的自適應(yīng)材料技術(shù)，可使復(fù)合材料的剛度和強(qiáng)度在紫外光照射下得到大幅提升，該技術(shù)將紫外光活性分子附著在碳納米管等增強(qiáng)體上，隨后將增強(qiáng)體嵌入聚合物中形成復(fù)合材料。紫外光照射所引發(fā)的化學(xué)反應(yīng)使得增強(qiáng)體與聚合物之間的作用力增強(qiáng)，從而使材料的剛度和強(qiáng)度得以提高。研究結(jié)果表明，經(jīng)過5min的紫外光輻照，復(fù)合材料的剛度能夠提高93%，強(qiáng)度提高35%。未來使用該技術(shù)有望制備出具有可控結(jié)構(gòu)阻尼、輕質(zhì)的新型復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)低維護(hù)、高速旋翼機(jī)概念。該材料具備的可控力學(xué)響應(yīng)特性有助于開發(fā)具有載荷適應(yīng)能力的自適應(yīng)航空航天結(jié)構(gòu)，可大幅減少未來陸軍航空平臺的維護(hù)負(fù)擔(dān)，使之無需返回基地進(jìn)行維護(hù)，從而實(shí)現(xiàn)長時(shí)間作戰(zhàn)。

2018年8月，美國科羅拉多大學(xué)發(fā)明出一種液晶彈性體光敏材料，其在接收特定光和熱后可變形為預(yù)設(shè)形狀，并且整個(gè)變形過程可被直接觀測到。首先，在這種材料中安置光敏開關(guān)，用特定波長的光刺激該材料，使其分子按某種特定方式排列，之后再用特定的熱量刺激該材料即可恢復(fù)原形。研究人員對該材料進(jìn)行了試驗(yàn)，在室溫下將其折疊成“千紙鶴”，之后加熱到93℃，“千紙鶴”逐漸展開，最后將其逐漸冷卻至室溫，該材料恢復(fù)原狀。該液晶彈性體光敏材料未來有望用于人工肌肉、生物醫(yī)學(xué)設(shè)備和機(jī)器人等領(lǐng)域。

三、結(jié)論

智能材料是現(xiàn)代高技術(shù)新材料發(fā)展的重要方向之一，它使傳統(tǒng)意義下的功能材料和結(jié)構(gòu)材料的關(guān)系更加緊密，未來智能材料的發(fā)展趨勢為更加高性能化、多功能化、復(fù)合化、精細(xì)化和智能化，在此基礎(chǔ)上，還包括以下兩個(gè)趨勢。

（一）材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一體化

傳統(tǒng)的材料學(xué)存在“重材料、輕設(shè)計(jì)”的問題。智能材料的發(fā)展趨勢之一是通過微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)拓展結(jié)構(gòu)組分材料的性能，實(shí)現(xiàn)特殊性能可定制化的宏觀結(jié)構(gòu)。材料結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)可以有效打破對材料性能的傳統(tǒng)認(rèn)知局限，基于材料的特定性能，通過細(xì)觀、微觀和宏觀多尺度結(jié)構(gòu)構(gòu)型的匹配設(shè)計(jì)，結(jié)合高性能制造技術(shù)，可得到具有多重功能特性的新型智能材料。

（二）新的制造技術(shù)加速智能材料發(fā)展

與天然合成材料、人工制造材料和精細(xì)材料不同，智能材料是第四代材料，面向智能材料的先進(jìn)制造會為智能材料發(fā)展提供新的途徑。例如，4D打印技術(shù)是將3D打印技術(shù)和智能結(jié)構(gòu)結(jié)合的新興制造技術(shù)，其第四維度具備和感知材料相同的特性，即感知應(yīng)力、應(yīng)變、熱、光、電、磁、化學(xué)和輻射等外界刺激，并據(jù)此做出相應(yīng)的響應(yīng)。該技術(shù)使得智能材料的制造具有更為廣闊的前景。