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  亓洞歡鍬 2010-12-18 00:00:00

  我有，你想怎樣？

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  6762王_ 2010-12-30 00:00:00

  無(wú)機(jī)非金屬非常有前景 不錯(cuò)

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  ArchLord2國(guó)服 2010-12-20 00:00:00

  上ZG知網(wǎng)，或者豆丁上下..很多的... 智能無(wú)機(jī)非金屬材料 摘 要 結(jié)構(gòu)材料所處的環(huán)境極為復(fù)雜，材料損壞引起事故的危險(xiǎn)性不斷增加，研究與開(kāi)發(fā)對(duì)損壞能自行診斷并具有自修復(fù)能力的結(jié)構(gòu)材料是十分重要而急迫的任務(wù)。本文對(duì)智能材料的發(fā)展、構(gòu)思、無(wú)機(jī)非金屬智能材料進(jìn)行了綜述，對(duì)智能材料進(jìn)一步研究進(jìn)行了展望。 關(guān)鍵詞 智能；無(wú)機(jī)非金屬；材料 智能材料是指對(duì)環(huán)境具有可感知、可響應(yīng)并具有功能發(fā)現(xiàn)能力的新材料。日本高木俊宜教授[1]將信息科學(xué)融于材料的物性和功能，于1989年提出了智能材料（Intelligent materials）概念。至此智能材料與結(jié)構(gòu)的研究也開(kāi)始由航空航天及軍事部門[2，3]逐漸擴(kuò)展到土木工程[4]、醫(yī)藥、體育和日常用品[5，6]等其他領(lǐng)域。 同時(shí)，美國(guó)的R•E•Newnham教授圍繞具有傳感和執(zhí)行功能的材料提出了靈巧材料（Smart materials）概念，又有人稱之為機(jī)敏材料。他將靈巧材料分為三類： 被動(dòng)靈巧材料——僅能響應(yīng)外界變化的材料； 主動(dòng)靈巧材料——不僅能識(shí)別外界的變化，經(jīng)執(zhí)行線路能誘發(fā)反饋回路，而且響應(yīng)環(huán)境變化的材料； 很靈巧材料——有感知、執(zhí)行功能，并能響應(yīng)環(huán)境變化，從而改變性能系數(shù)的材料。 R•E•Newnham的靈巧材料和高木俊宜的智能材料概念的共同之處是：材料對(duì)環(huán)境的響應(yīng)性。 自l989年以來(lái)，先是在日本、美國(guó)，爾后是西歐，進(jìn)而世界各國(guó)的材料界均開(kāi)始研究智能材料?？茖W(xué)家們研究將必要的仿生(biominetic)功能引入材料，使材料和系統(tǒng)達(dá)到更高的層次，成為具有自檢測(cè)、自判斷、自結(jié)論、自指令和執(zhí)行功能的新材料。智能結(jié)構(gòu)常常把高技術(shù)傳感器或敏感元件與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料和功能材料結(jié)合在一起，賦予材料嶄新的性能，使無(wú)生命的材料變得有了“感覺(jué)”和“知覺(jué)”，能適應(yīng)環(huán)境的變化，不僅能發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，而且還能自行解決問(wèn)題。 由于智能材料和系統(tǒng)的性能可隨環(huán)境而變化，其應(yīng)用前景十分廣泛[7]。例如飛機(jī)的機(jī)翼引入智能系統(tǒng)后，能響應(yīng)空氣壓力和飛行速度而改變其形狀；進(jìn)入太空的靈巧結(jié)構(gòu)上設(shè)置了消震系統(tǒng)，能補(bǔ)償失重，防止金屬疲勞；潛水艇能改變形狀，消除湍流，使流動(dòng)的噪聲不易被測(cè)出而便于隱蔽；金屬智能結(jié)構(gòu)材料能自行檢測(cè)損傷和YZ裂縫擴(kuò)展，具有自修復(fù)功能，確保了結(jié)構(gòu)物的可靠性；高技術(shù)汽車中采用了許多靈巧系統(tǒng)，如空氣-燃料氧傳感器和壓電雨滴傳感器等，增加了使用功能。其它還有智能水凈化裝置可感知而且能除去有害污染物；電致變色靈巧窗可響應(yīng)氣候的變化和人的活動(dòng)，調(diào)節(jié)熱流和采光；智能衛(wèi)生間能分析尿樣，作出早期診斷；智能藥物釋放體系能響應(yīng)血糖濃度，釋放胰島素，維持血糖濃度在正常水平。 國(guó)外對(duì)智能材料研究與開(kāi)發(fā)的趨勢(shì)是：把智能性材料發(fā)展為智能材料系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)。這是當(dāng)前工程學(xué)科發(fā)展的國(guó)際前沿，將給工程材料與結(jié)構(gòu)的發(fā)展帶來(lái)一場(chǎng)革命。國(guó)外的城市基礎(chǔ)建設(shè)中正構(gòu)思如何應(yīng)用智能材料構(gòu)筑對(duì)環(huán)境變化能作出靈敏反應(yīng)的樓層、橋梁和大廈等。這是一個(gè)系統(tǒng)綜合過(guò)程，需將新的特性和功能引入現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)中。 美國(guó)科學(xué)家們正在設(shè)計(jì)各種方法，試圖使橋梁、機(jī)翼和其它關(guān)鍵結(jié)構(gòu)具有自己的“神經(jīng)系統(tǒng)”、“肌肉”和“大腦”，使它們能感覺(jué)到即將出現(xiàn)的故障并能自行解決。例如在飛機(jī)發(fā)生故障之前向飛行員發(fā)出警報(bào)，或在橋梁出現(xiàn)裂痕時(shí)能自動(dòng)修復(fù)。他們的方法之一是，在高性能的復(fù)合材料中嵌入細(xì)小的光纖材料，由于在復(fù)合材料中布滿了縱橫交錯(cuò)的光纖，它們就能像“神經(jīng)”那樣感受到機(jī)翼上受到的不同壓力，在極端嚴(yán)重的情況下，光纖會(huì)斷裂，光傳輸就會(huì)中斷，于是發(fā)出即將出現(xiàn)事故的警告。 1、 智能材料的構(gòu)思[8] 一種新的概念往往是各種不同觀點(diǎn)、概念的綜合。智能材料設(shè)計(jì)的思路與以下幾種因素有關(guān)：(1)材料開(kāi)發(fā)的歷史，結(jié)構(gòu)材料→功能材料→智能材料。(2)人工智能計(jì)算機(jī)的影響，也就是生物計(jì)算機(jī)的未來(lái)模式、學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)、三維識(shí)別計(jì)算機(jī)對(duì)材料提出的新要求。(3)從材料設(shè)計(jì)的角度考慮智能材料的制造。(4)軟件功能引入材料。(5)對(duì)材料的期望。(6)能量的傳遞。(7)材料具有時(shí)間軸的觀點(diǎn)，如壽命預(yù)告功能、自修復(fù)功能，甚至自學(xué)習(xí)、自增殖和自凈化功能，因外部刺激時(shí)間軸可對(duì)應(yīng)作出積極自變的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，即仿照生物體所具有的功能。例如，智能人工骨不僅與生物體相容性良好，而且能依據(jù)生物體骨的生長(zhǎng)、治愈狀況而分解，Z后消失。 1．1 仿生與智能材料 智能材料的性能是組成、結(jié)構(gòu)、形態(tài)與環(huán)境的函數(shù)，它具有環(huán)境響應(yīng)性。生物體的Z大特點(diǎn)是對(duì)環(huán)境的適應(yīng)，從植物、動(dòng)物到人類均如此。細(xì)胞是生物體的基礎(chǔ)，可視為具有傳感、處理和執(zhí)行三種功能的融合材料，因而細(xì)胞可作為智能材料的藍(lán)本。 對(duì)于從單純物質(zhì)到復(fù)雜物質(zhì)的研究，可以通過(guò)建立模型實(shí)現(xiàn)。模型使復(fù)雜的生物材料得解，從而創(chuàng)造出仿生智能材料。例如，高分子材料是人工設(shè)計(jì)的合成材料，在研究時(shí)曾借鑒于天然絲的大分子結(jié)構(gòu)，然后合成出了強(qiáng)度更高的尼龍。目前，已根據(jù)模擬信息接受功能蛋白質(zhì)和執(zhí)行功能蛋白質(zhì)，創(chuàng)造出由超微觀到宏觀的各種層次的智能材料。 1．2 智能材料設(shè)計(jì) 用現(xiàn)有材料組合，并引入多重功能，特別是軟件功能，可以得到智能材料。隨著信息科學(xué)的迅速發(fā)展，自動(dòng)裝置(Automaton)不僅用于機(jī)器人和計(jì)算機(jī)這類人工機(jī)械，更可用于能條件反射的生物機(jī)械。 此自動(dòng)裝置在輸入信號(hào)(信息)時(shí)，能依據(jù)過(guò)去的輸入信號(hào)(信息)產(chǎn)生輸出信號(hào)(信息)。過(guò)去輸入的信息則能作為內(nèi)部狀態(tài)存貯于系統(tǒng)內(nèi)。因此，自動(dòng)裝置由輸入、內(nèi)部狀態(tài)、輸出三部分組成。將智能材料與自動(dòng)裝置類比，兩者的概念是相似的。 自動(dòng)裝置M可用以下6個(gè)參數(shù)描繪： M＝（θ，X，Y，f，g，θ0） 式中θ為內(nèi)部狀態(tài)的集；X和Y分別代表輸入和輸出信息的集；f表示現(xiàn)在的內(nèi)部狀態(tài)因輸入信息轉(zhuǎn)變?yōu)橄乱粫r(shí)間內(nèi)部狀態(tài)的狀態(tài)轉(zhuǎn)變系數(shù)；g是現(xiàn)在的內(nèi)部狀態(tài)因輸入信息而輸出信息的輸出系數(shù)；θ0為初期狀態(tài)的集。 為使材料智能化，可控制其內(nèi)部狀態(tài)θ、狀態(tài)轉(zhuǎn)變系數(shù)f及輸出系數(shù)g。例如對(duì)于陶瓷，其θ、f、g的關(guān)系，即是材料結(jié)構(gòu)、組成與功能性的關(guān)系。設(shè)計(jì)材料時(shí)應(yīng)考慮這些參數(shù)。若使陶瓷的功能提高至智能化，需要控制f和g。 一般陶瓷是微小晶粒聚集成的多晶體，常通過(guò)添加微量第二組分控制其特性。此第二組分的本體和微晶粒界兩者的性能均影響所得材料特性。 實(shí)際上，第二組分的離子引入系統(tǒng)時(shí)，其自由能(G=H-TS)發(fā)生變化，為使材料的自由能(G)Z小，有必要控制焓(H)，使熵(S)達(dá)Z適合的數(shù)值。而熵與添加物的分布有關(guān)，因此陶瓷的功能性控制可通過(guò)優(yōu)化熵來(lái)實(shí)現(xiàn)。熵由材料本身的焓調(diào)控。故為使陶瓷具有高功能進(jìn)而達(dá)到智能化的目的，應(yīng)使材料處于非平衡態(tài)、擬平衡態(tài)和亞穩(wěn)定狀態(tài)。 對(duì)于智能材料而言，材料與信息概念具有同一性。而某一L符號(hào)的平均信息量Φ與幾率P狀態(tài)的信息量logP有關(guān)，即 此式類同于熱力學(xué)的熵，但符號(hào)相反，故稱負(fù)熵(negcntropy)。因熵為無(wú)序性的量度，負(fù)熵則是有序性的量度。 1．3 智能材料的創(chuàng)制方法 基于智能材料具有傳感、處理和執(zhí)行的功能，因而其創(chuàng)制實(shí)際上是將此類軟件功能（信息）引入材料。這類似于身體的信息處理單元——神經(jīng)原，可融各種功能于一體（圖1（a）），將多種軟件功能寓于幾納米到數(shù)十納米厚的不同層次結(jié)構(gòu)（圖1（b）），使材料智能化。此時(shí)材料的性能不僅與其組成、結(jié)構(gòu)、形態(tài)有關(guān)，更是環(huán)境的函數(shù)。智能材料的研究與開(kāi)發(fā)涉及金屬系、陶瓷系、高分子系和生物系智能材料和系統(tǒng)。 2、 智能無(wú)機(jī)非金屬材料 智能無(wú)機(jī)非金屬材料很多，在此介紹幾種較為典型的智能無(wú)機(jī)非金屬材料。 2．1 智能陶瓷 2．1．1 氧化鋯增韌陶瓷 氧化鋯晶體一般有三種晶型： 其中t-ZrO2轉(zhuǎn)化為m-ZrO2相變具有馬氏體相變的特征，并且相變伴隨有3%～5%的體積膨脹。不加穩(wěn)定劑的ZrO2陶瓷在燒結(jié)溫度冷卻的過(guò)程中，就會(huì)由于發(fā)生相變而嚴(yán)重開(kāi)裂。解決的辦法是添加離子半徑比Zr小的Ca、Mg、Y等金屬的氧化物。 氧化鋯相變可分為燒成冷卻過(guò)程中相變和使用過(guò)程中相變。造成相變的原因，前者是溫度誘導(dǎo)，后者是應(yīng)力誘導(dǎo)。兩類相變的結(jié)果都可使陶瓷增韌。增韌機(jī)制主要有相變?cè)鲰g、微裂紋增韌、表面增韌、裂紋彎曲和偏轉(zhuǎn)增韌等[9]。 當(dāng)ZrO2晶粒尺寸比較大而穩(wěn)定劑含量比較小時(shí)，陶瓷中的t-ZrO2晶粒在燒成后冷卻至室溫的過(guò)程中發(fā)生相變，相變所伴隨的體積膨脹在陶瓷內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力，并在一些區(qū)域形成微裂紋。當(dāng)主裂紋在這樣的材料中擴(kuò)展時(shí)，一方面受到上述壓應(yīng)力的作用，裂紋擴(kuò)展受到阻礙；同時(shí)由于原有微裂紋的延伸使主裂紋受阻改向，也吸收了裂紋擴(kuò)展的能量，提高了材料的強(qiáng)度和韌性。這就是微裂紋增韌。 由于ZrO2相變溫度很高，借助溫度變化來(lái)設(shè)計(jì)智能材料是不可行的，需要研究應(yīng)力誘導(dǎo)下的相變?cè)鲰g，應(yīng)力誘導(dǎo)下的相變?cè)鲰g在ZrO2增韌陶瓷中是Z主要的一種增韌機(jī)制。 材料中的t-ZrO2晶粒在燒成后冷卻至室溫的過(guò)程中仍保持四方相形態(tài)，當(dāng)材料受到外應(yīng)力的作用時(shí)，受應(yīng)力誘導(dǎo)發(fā)生相變，由t相轉(zhuǎn)變?yōu)閙相。由于ZrO2晶粒相變吸收能量而阻礙裂紋的繼續(xù)擴(kuò)展，從而提高了材料的強(qiáng)度和韌性。相轉(zhuǎn)變發(fā)生之處的材料組成一般不均勻，因結(jié)晶結(jié)構(gòu)的變化，導(dǎo)熱和導(dǎo)電率等性能隨之而變，這種變化就是材料受到外應(yīng)力的信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)了材料的自診斷。 對(duì)氧化鋯材料壓裂而產(chǎn)生裂紋，在300℃熱處理50h后，因?yàn)閠相轉(zhuǎn)變?yōu)閙相過(guò)程中產(chǎn)生的體積膨脹補(bǔ)償了裂紋空隙，可以再?gòu)浐?，?shí)現(xiàn)了材料的自修復(fù)。 對(duì)于材料使用中產(chǎn)生的疲勞強(qiáng)度及膨脹狀況等，可通過(guò)材料的尺寸、聲波傳播速度、導(dǎo)熱和導(dǎo)電率的變化進(jìn)行在位觀測(cè)。 2．1．2靈巧陶瓷 靈巧陶瓷是靈巧材料的一種，它能夠感知環(huán)境的變化，并通過(guò)反饋系統(tǒng)作出相應(yīng)的反應(yīng)。用若干多層鋯鈦酸鉛(PZT)可制成錄像磁頭的自動(dòng)定位跟蹤系統(tǒng)，日本利用PZT壓電陶瓷塊制成了Pachinko游戲機(jī)。 錄像磁頭的自動(dòng)定位跟蹤系統(tǒng)的原理是：在PZT陶瓷雙層懸臂彎曲片上，通過(guò)布設(shè)的電極將其分為位置感受部分和驅(qū)動(dòng)定位部分。位置感受部分即為傳感器，感受電極上所獲得的電壓通過(guò)反饋系統(tǒng)施加到定位電極上，使層片發(fā)生彎曲，跟蹤錄像帶上的磁跡，見(jiàn)圖2。 Pachinko游戲機(jī)也應(yīng)用了類似的原理。 利用靈巧陶瓷制成的靈巧蒙皮，可以降低飛行器和潛水器高速運(yùn)動(dòng)時(shí)的噪聲，防止發(fā)生紊流，以提高運(yùn)行速度，減少紅外輻射達(dá)到隱形目的。 根據(jù)上述原則，完全有可能獲得很靈巧材料。這種材料能夠感知環(huán)境的多方面變化并能在時(shí)間和空間兩方面調(diào)整材料的一種或多種性能參數(shù)，取得Z優(yōu)化響應(yīng)。因此，傳感、執(zhí)行和反饋是靈巧材料工作的關(guān)鍵功能。 2.1.3壓電仿生陶瓷 材料仿生是材料發(fā)展的方向之一。日本研究人員正在研究鯨魚(yú)和海豚的尾鰭和飛鳥(niǎo)的鳥(niǎo)翼，希望能研究出象尾鰭和鳥(niǎo)翼那樣柔軟、能折疊、又很結(jié)實(shí)的材料。 圖3為模擬魚(yú)類泳泡運(yùn)動(dòng)的彎曲應(yīng)力傳感器。傳感器中兩個(gè)金屬電極之間有一很小的空氣室，PZT壓電陶瓷起覆蓋泳泡肌肉的作用。因空氣室的形狀類似于新月，故稱為“Moonie”復(fù)合物。此壓電水聲器應(yīng)用特殊形狀的電極，通過(guò)改變應(yīng)力方向，使壓電應(yīng)變常數(shù)dh增至極大值。當(dāng)厚的金屬電極因聲波而承受靜水壓力時(shí)，一部分縱向應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)榉?hào)相反的徑向和切向應(yīng)力，使壓電常數(shù)d3l由負(fù)值變?yōu)檎?，它與d33疊加，使dh值增加。這類復(fù)合材料的dh•gh值比純PZT材料的大250倍。 應(yīng)用PZT纖維復(fù)合材料和“Moonie”型復(fù)合物設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的執(zhí)行器元件，可以消除因聲波造成的穩(wěn)流。 2．2 智能水泥基材料 在現(xiàn)代社會(huì)中，水泥作為基礎(chǔ)建筑材料應(yīng)用極為廣泛，使水泥基材料智能化具有良好的應(yīng)用前景。 智能水泥基材料包括：應(yīng)力、應(yīng)變及損傷自檢水泥基材料[10～12]；自測(cè)溫水泥基材料[13]；自動(dòng)調(diào)節(jié)環(huán)境濕度的水泥基材料[14]；仿生自愈合水泥基材料[15、16]及仿生自生水泥材料[17]等。 水泥基材料中摻加一定形狀、尺寸和摻量的短切碳纖維后，材料的電阻變化與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化是相對(duì)應(yīng)的。因此，該材料可以監(jiān)測(cè)拉、彎、壓等工況及靜態(tài)和動(dòng)態(tài)載荷作用下材料內(nèi)部情況。在水泥凈漿中0.5%（體積）的碳纖維用做傳感器，其靈敏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于一般的電阻應(yīng)變片。 將一定長(zhǎng)度的PAN基短切碳纖維摻入水泥凈漿中，材料產(chǎn)生了熱電效應(yīng)。這種材料可以對(duì)建筑物內(nèi)部和周圍環(huán)境溫度的變化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)?；谠摬牧系臒犭娦?yīng)，還可能利用太陽(yáng)能和室內(nèi)外溫差為建筑物供電。如果進(jìn)一步使該材料具有Seebeck效應(yīng)的逆效應(yīng)——Peltier效應(yīng)，那么就可能制得具有制冷制熱材料。 在水泥凈漿中摻加多孔材料，利用多孔材料吸濕量與溫度的關(guān)系，能夠使材料具有調(diào)濕功能。 一些科學(xué)家目前在研制一種能自行愈合的混凝土。設(shè)想把大量的空心纖維埋入混凝土中，當(dāng)混凝土開(kāi)裂時(shí)，事先裝有“裂紋修補(bǔ)劑”的空心纖維會(huì)裂開(kāi)，釋放出粘結(jié)修補(bǔ)劑把裂紋牢牢地粘在一起，防止混凝土斷裂。這是一種被動(dòng)智能材料，即在材科中沒(méi)有埋入傳感器監(jiān)測(cè)裂痕，也沒(méi)有在材料中埋入電子芯片來(lái)“指導(dǎo)”粘接裂開(kāi)的裂痕。與此原理相同，美國(guó)根據(jù)動(dòng)物骨骼的結(jié)構(gòu)和形成機(jī)理，嘗試仿生水泥基材料的制備。該材料在使用過(guò)程中如果發(fā)生損傷，多孔有機(jī)纖維回釋放高聚物愈合損傷。 美國(guó)科學(xué)家正在研究一種主動(dòng)智能材料，能使橋梁出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)自動(dòng)加固。他們?cè)O(shè)計(jì)的一種方式是：如果橋梁的某些局部出現(xiàn)問(wèn)題，橋梁的另一部分就自行加固予以彌補(bǔ)。這一設(shè)想在技術(shù)上是可行的。隨著電腦技術(shù)的發(fā)展，完全可以制造出極微小的信號(hào)傳感器和微電子芯片及計(jì)算機(jī)把這些傳感器、微型計(jì)算機(jī)芯片埋入橋梁材料中。橋梁材料可以用各種神奇的材料構(gòu)成，例如用形狀記憶材料。埋在橋梁材料中的傳感器得到某部分材料出現(xiàn)問(wèn)題的信號(hào)，計(jì)算機(jī)就會(huì)發(fā)出指令，使事先埋入橋梁材料中的微小液演變成固體而自動(dòng)加固。 3、結(jié)語(yǔ) 目前，智能材料尚處在研究發(fā)展階段，它的發(fā)展和社會(huì)效應(yīng)息息相關(guān)。飛機(jī)失事和重要建筑等結(jié)構(gòu)的損壞，激勵(lì)著人們對(duì)具有自預(yù)警、自修復(fù)功能的靈巧飛機(jī)和材料結(jié)構(gòu)的研究。以材料本身的智能性開(kāi)發(fā)來(lái)滿足人們對(duì)材料、系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)的期望，使材料結(jié)構(gòu)能“剛”“柔”結(jié)合，以自適應(yīng)環(huán)境的變化。在未來(lái)的研究中，應(yīng)以以下幾個(gè)方面為ZD。 （1）如何利用飛速發(fā)展的信息技術(shù)成果，將軟件功能引入材料、系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)中； （2）進(jìn)一步加強(qiáng)探索型理論研究及材料復(fù)合智能化的機(jī)理研究，加速發(fā)展智能材料科學(xué)； （3）加強(qiáng)應(yīng)用基礎(chǔ)研究。

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