智能材料研究进展及应用综述


发布时间:2020-04-07 16:34 浏览量 122 views
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一、智能材料的特点及分类

智能材料(Intelligent/Smart Material)是自20 世纪90 年代开始迅速发展起来的一类新型功能材料,其集仿生、纳米技术及新材料科学于一身,是21 世纪最具有发展潜力的前瞻性研究领域之一。

与传统材料不同,智能材料不仅仅以单一的材料形式存在,而是以某一智能化体系方式存在。由此给出智能材料的定义是:由多种材料组元通过有机紧密复合或严格的科学组装而构成的材料系统。因此,智能材料必须具备感知、驱动和控制这3 个基本功能要素。特殊的结构特征使得智能材料能够对环境条件及内部状态的变化做出精准、高效、适当的响应,同时还具备传感功能、信息存储功能、反馈功能、响应功能、自诊断功能和自修复能力(见图1)等特征。

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图1 智能材料的功能特征

智能材料按照功能结构划分主要分为新型功能性材料、功能转化材料及新型结构材料三大类。根据智能材料的功能特征,可将其分为感知材料和响应/ 驱动材料两大类,如图2 所示。

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图2 智能材料的类别

感知材料对外界的刺激具有感知作用,可用于制造传感器,其可感知外界环境刺激并以此进行信息采集。感知材料种类繁多,包括电感材料、光敏材料、湿敏材料、热敏材料、气敏材料、光导纤维、声发射材料、形状记忆材料、磁致伸缩材料、压电材料、电阻应变材料等。

响应/ 驱动材料可对外界环境条件或内部状态发生的变化做出响应或驱动,可用于制造执行器。智能系统的执行器类似于生物体的肌肉,它在外界或内部状态变化时做出相应的响应,这种响应可以表现在力、位移、颜色、频率、数码显示、信息存储等各方面。可用作执行器的材料包括形状记忆材料、压电材料、电流变体、磁流变体、磁致伸缩材料、电致伸缩材料和某些智能高分子材料。

二、智能材料研究进展

智能材料拥有很多普通材料不具备的特殊功能,现已逐步成为研究的重点与热点,并且在物理、化学、电子、航空航天、生物医学等领域得到广泛应用。近些年来,形状记忆材料、自修复材料、光热敏感材料、压电材料等引起了人们的广泛关注。

(一)形状记忆合金的应用领域不断扩大

形状记忆合金(SMA)是一种具有“记忆”效应的合金,其可以在加热升温后完全消除在较低温度下发生的变形,恢复变形前的原始形状。形状记忆合金由于具有优异的性能而被广泛应用于日常生活中,以及航空航天、机械电子、生物医学、桥梁建筑、汽车工业等领域。

2016 年11 月,受铁定甲虫拥有强壮的外骨骼启发,英国BAE 系统公司开发出一种新型车用悬挂系统,该悬挂系统采用镍钛记忆合金制成,可保护军用车辆免受爆炸等恶劣作战环境的影响。传统的悬挂系统采用弹簧减震,BAE 的新型悬挂系统可完美替代旧式悬挂,并且在爆炸环境下可恢复原状。BAE 目前已开发出记忆合金悬挂系统的原型,该原型已通过5 次爆炸测试。新型悬挂系统拥有的出色防爆特性源于形状记忆合金的高强韧材料结构,该系统能够适应多变的战场环境,将有效提升武装部队的灵活性和生存能力。

2017 年11 月,美国国家航空航天局(NASA)成功研发出使用记忆合金制成的免充气轮胎(见图3),用以取代老款的探测车轮胎。这种新材料是一种镍钛合金(NickelTitanium)。一般金属在外力作用下会不断延伸直到断裂,但是这种镍钛合金在负载之下,其原子结构会重新排列,导致外形发生改变,当负载减轻或者消失之后,其原子结构会再次重新排列,形状也随之复原。这种记忆合金可以实现在变形30% 的情况下却不发生永久变形或者损坏;其还能够在延伸10% 之后恢复原本的形态,而普通金属材质只能延展0.3%~0.5%,可以看出记忆合金在此方面优势明显。这种记忆合金轮胎的优点在于不会像充气轮胎一样存在泄气或者爆胎的风险,也不容易受到温度变化的影响。

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图3 记忆合金轮胎

2018 年9 月,美国德州农工大学的研究人员发现了一种新型智能材料,这种材料有望显著提高喷气发动机的燃油效率,降低飞行成本。同时,利用该材料还可降低飞机产生的噪声。研究人员利用高熵合金材料的工作原理来提高高温形状记忆合金的工作温度。高熵合金由4 种或更多种金属元素以大致相等的量混合在一起组成。该团队创造了由4 种或更多已知可形成形状记忆合金(镍、钛、铪、锆和钯)的元素组成的材料,而没有加入金或铂元素。当以相同的比例混合这些元素时,所得到的材料可以在远高于500℃的温度下工作,其中一种材料甚至可在700℃下工作。这种高温形状记忆合金可以根据飞机工作模式的不同,自动改变核心排气口喷嘴的尺寸,以提高飞机在飞行状态下的运转效率,同时使得飞机在着陆状态时更安静。

(二)自修复材料实现装备低成本维护

材料损伤是影响材料功能的主要原因之一,微观损伤进一步发展引发的宏观损伤是对材料耐久性的最大考验。如果能对这种早期的损伤或者裂纹进行修复,那么对消除安全隐患、增强材料的强度和延长材料的使用寿命则具有重大意义,自修复材料恰恰可以满足这类需求。在现代工业装备中,自修复材料由于可以感知环境变化并实时做出反应,故可以实现装备在早期损伤情况下的低成本维修甚至是零成本维修的目标。

2016 年12 月,美国加州大学河滨分校的研究人员受“金刚狼”(具有自我修复能力的漫画人物)的启发,研发出一种透明、可延展的自修复导电材料,该材料在受损后,仅需24h 即可自我修复。其具有良好的延展性,长度可延伸约50 倍。这项研究基于“离子偶极交互”机制,创造性地将离子导体技术与自修复材料结合在一起。研究人员在测试时发现,在电信号刺激下,这种材料拥有像人类肌肉一样的应激性。这种材料未来有望用于驱动人造肌肉,也可用于提高电池、电子设备和机器人的性能。

2018 年7 月,美国海军研究署和卡内基梅隆大学共同研发出可自愈金属– 弹性体复合材料,成功解决了柔性材料无法自修复的难题。这种材料制成的电路具有高度柔性,可以在极端的机械损伤下创建绕过受损区域的新电气连接,从而进行自我修复,并且无需引入外部的能量及设备,如图4 所示。这种新型金属– 弹性体复合材料可以大幅提升柔性电子设备的使用寿命和性能,在软体机器人、仿生机器人和可穿戴电子设备领域具有巨大的应用前景。经过试验,在这种新材料制成的电路上引入切割、穿孔等机械损伤,电路的导电性能没有明显的变化,并且可以承受180°折叠和1.32MPa 的压力1000 余次。该材料的自愈机理为在遇到机械损坏后,其可自动重构并保持导电性,如图5 所示。

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图4 由可自愈金属-弹性体复合材料制成的复杂电路可承受拉伸和扭曲

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图5 可自愈机理

2019 年2 月,美国南加州大学维特比工程学院的研究人员开发出了可自修复的3D 打印橡胶材料。这种材料可实现快速制造,且在遭遇破裂或刺穿后可以进行自我修复。这种材料将为鞋类、轮胎、软体机器人甚至电子设备制造带来革命性的改变,在缩短制造时间的同时延长产品的使用寿命。新型材料使用基于光聚合的3D 打印方法制造,即通过光把液态树脂材料固化成所需图形或形状。在短短5s 内,可以打印出边长为17.5mm 的正方形,在大约20min 内完成整个物体的打印,材料受损后可以在几个小时内自行修复。该材料在被切成两半后,置于60℃环境下2h 即可完全愈合,并且强度和功能得以保持。研究人员正在开发其他不同硬度的可自愈合材料,从现有的软橡胶到刚性硬塑料,并尝试将其应用于车辆部件及防弹衣。

(三)光敏感材料实现智能材料多功能化

光敏感材料是指特制参数随外界光辐射的变化而明显改变的感知智能材料。利用这一特性可以按需实现光敏感材料的功能,例如,电磁波谱的选择特性、复合材料的强度特性、液晶材料的自变形特性等。

2018 年4 月, 美国杜克大学研制出首个非金属动态可调超材料,这种超材料由一系列独立的硅单元组成,通过控制网格中每个位置电磁波的振幅和相位,实现超材料可重构。研究人员以特定频率的光轰击硅柱体,这种工艺被称为“光掺杂”。由于轰击过后的硅柱体表面激发出了电子,传统的绝缘材料便具有了金属特性,新释放的电子使硅柱体与超材料表面的电磁波相互作用。硅柱体的尺寸决定了相互作用的光频率,而“光掺杂”的角度则决定了如何调控电磁波。研究人员选取合适的硅柱体尺寸,使其工作频率为介于微波和红外光之间的太赫兹波段,这样,通过控制光的波长可以改善卫星间的宽带通信,也可改进安检扫描技术。动态可调超材料的传输特性如图6 所示。

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图6 动态可调超材料的传输特性

2018 年5 月, 美国陆军研究实验室和美国马里兰大学宣布开发出了一种先进的自适应材料技术,可使复合材料的刚度和强度在紫外光照射下得到大幅提升,该技术将紫外光活性分子附着在碳纳米管等增强体上,随后将增强体嵌入聚合物中形成复合材料。紫外光照射所引发的化学反应使得增强体与聚合物之间的作用力增强,从而使材料的刚度和强度得以提高。研究结果表明,经过5min 的紫外光辐照,复合材料的刚度能够提高93%,强度提高35%。未来使用该技术有望制备出具有可控结构阻尼、轻质的新型复合材料,实现低维护、高速旋翼机概念。该材料具备的可控力学响应特性有助于开发具有载荷适应能力的自适应航空航天结构,可大幅减少未来陆军航空平台的维护负担,使之无需返回基地进行维护,从而实现长时间作战。

2018 年8 月, 美国科罗拉多大学发明出一种液晶弹性体光敏材料,其在接收特定光和热后可变形为预设形状,并且整个变形过程可被直接观测到。首先,在这种材料中安置光敏开关,用特定波长的光刺激该材料,使其分子按某种特定方式排列,之后再用特定的热量刺激该材料即可恢复原形。研究人员对该材料进行了试验,在室温下将其折叠成“千纸鹤”,之后加热到93℃,“千纸鹤”逐渐展开,最后将其逐渐冷却至室温,该材料恢复原状。该液晶弹性体光敏材料未来有望用于人工肌肉、生物医学设备和机器人等领域。

三、结论

智能材料是现代高技术新材料发展的重要方向之一,它使传统意义下的功能材料和结构材料的关系更加紧密,未来智能材料的发展趋势为更加高性能化、多功能化、复合化、精细化和智能化,在此基础上,还包括以下两个趋势。

(一)材料结构设计一体化

传统的材料学存在“重材料、轻设计”的问题。智能材料的发展趋势之一是通过微结构设计拓展结构组分材料的性能,实现特殊性能可定制化的宏观结构。材料结构一体化设计可以有效打破对材料性能的传统认知局限,基于材料的特定性能,通过细观、微观和宏观多尺度结构构型的匹配设计,结合高性能制造技术,可得到具有多重功能特性的新型智能材料。

(二)新的制造技术加速智能材料发展

与天然合成材料、人工制造材料和精细材料不同,智能材料是第四代材料,面向智能材料的先进制造会为智能材料发展提供新的途径。例如,4D 打印技术是将3D 打印技术和智能结构结合的新兴制造技术,其第四维度具备和感知材料相同的特性,即感知应力、应变、热、光、电、磁、化学和辐射等外界刺激,并据此做出相应的响应。该技术使得智能材料的制造具有更为广阔的前景。


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