智能材料的研究与开发

智能材料的研究与开发


摘　要: 　本文提出了智能材料的概念、定
义, 介绍了智能材料的特征, 重点阐述和
评价了智能材料与结构用基础材料———形
状记忆合金、电致流变流体材料、磁致流变
流体材料、电致伸缩材料、磁致伸缩材料、光
导纤维和功能凝胶等的种类、组成、特点、用
途、研究现状与市场前景;论述了智能材料
的战略意义;展望了它的发展前景, 最后探
讨了智能材料与材料科学的关系及其发展趋势。
关键词: 　智能材料;研究;开发
1 　智能材料的定义[1～6 ,10]
智能材料问世于80 年代末, 关于其定义至今尚无统一的
定论。不过, 对以下提法, 学者们似乎不持异议。
智能材料是一种能从自身的表层或内部获取关于环境条件
及其变化的信息,随后进行判断、处理和作出反应,以改变自身
的结构与功能,并使之很好地与外界相协调的具有自适应性的
材料系统。或者说,智能材料是指在材料系统或结构中,可将传
感、控制和驱动三种职能集于一身,通过自身对信息的感知、采
集、转换、传输和处理,发出指令,并执行和完成相应的动作,从
而赋予材料系统或结构健康自诊断、工况自检测、过程自监控、
偏差自校正、损伤自修复与环境自适应等智能功能和生物特征,
以达到增强结构安全、减轻构件重量、降低能量消耗和提高整体
性能之目的的一种材料系统与结构。
智能材料的基础是功能材料。功能材料通常可分为两大
类,一类称为敏感材料或感知材料,是对来自外界或内部的各种
信息,如负载、应力、应变、振动、热、光、电、磁、化学和核辐射等
信号之强度及变化具有感知能力的材料,可用来制造各种传感
器;另一类称为驱动材料,是在外界环境或内部状态发生变化
时,能对之作出适当的反应并产生相应的动作的材料,可用来制
成各种执行器(驱动器) 或激励器。
兼具敏感材料与驱动材料之特征,即同时具有感知与驱动
功能的材料,称为机敏材料。机敏材料对于来自外界和内部的
各种信息,并不具有处理功能和反馈机制,不能顺应环境条件的
变化及时调整自身的状态、结构和功能。而智能材料正好弥补
了其不足。
简言之,智能材料是特殊的、或者说具有智能功能的功能材
料。智能材料通常不是一种单一的材料,而是一个材料系统;或
者确切地说,是一个由多种材料组元通过有机的紧密复合或严格
的科学组装而构成的材料系统。可以说,智能材料是机敏材料与
控制系统相结合的产物;或者说是敏感材料、驱动材料和控制材
料(系统) 的有机合成。就本质而言,智能材料就是一种智能机
构,它是由传感器、执行器和控制器三部分组成,如图1 所示。
图1 　智能材料与机构
　　智能材料是材料科学向前发展的必然结果,是信息技术溶
入材料科学的自然产物,也是未来世界的技术支撑。它的问世,
标志和宣告了第五代新材料的诞生,也预示着在即将到来的21
世纪,将发生一次划时代的深刻的材料革命。
2 　智能材料的特征[3]
设计智能材料(系统) 的指导思想有二:一是材料的多功能
复合;二是材料的仿生设计。基于这些原因,智能材料(系统) 具
有或部分具有下列智能功能和生命特征: (1) 传感功能:能感知
自身所处的环境与条件,如负载、应力、应变、振动、热、光、电、
磁、化学、核辐射等的强度及其变化。(2) 反馈功能:可通过传感
网络,对系统输入与输出信息进行对比,并将其结果提供给控制
系统。(3) 信息识别与积累功能:能识别传感网络得到的各类信
息并将其积累起来。(4) 响应功能:能根据外界环境和内部条件
变化,适时动态地作出相应的反应,并采取必要行动。(5) 自诊
断能力:能通过分析比较系统目前的状况与过去的情况,对诸如
系统故障与判断失误等向题进行自诊断并予以校正。(6) 自修
复能力:能通过自繁殖、自生长、原位复合等再生机制,来修补某
些局部损伤或破坏。(7) 自适应能力:对不断变化的外部环境和
条件,能及时地自动调整自身结构和功能,并相应地改变自己状
态和行为,从而使材料系统始终以一种优化方式对外界变化作
出恰如其分的响应。
3 　智能材料系统与结构用基础材料[6～30]
迄今为止,人们尚未研制出具有完善智能功能与生命特征
的智能材料,但这并不意味着智能材料是难以实现的梦想。恰
恰相反,近年来,由于各国科技人员的共同努力,已成功地研制
出不少具有部分智能特性的智能材料系统,并已得到实际应用。
随着研究工作的深入,可用于构建智能材料系统与结构的
基础材料正在不断丰富和逐渐完善。目前,国外业已研制成功
并实现了商品化的该类材料有两类:一是形状记忆材料、电流变
体、磁流变体、电致伸缩材料、磁致伸缩材料、功能凝胶等,可用作
智能材料系统中的驱动器材料(即执行器材料) 。由于这些材料
《功能材料》1999 ,30 (6) 575
X
XX 机械工业部重庆仪表材料研究所教授级高级工程师、中国仪器仪表学会仪表材料学会常务副秘书长、中国仪器仪表学会科普工作委员会委员、
当代改革发展理论研究中心特邀研究员、四川省社会科学院知识经济研究所特约研究员,中国管理科学研究院学术委员会特约研究员。
收稿日期:1999 - 01 - 11
可根据温度、电场或磁场的变化来改变自身的形状、尺寸、位置、
刚性、频率、阻尼、内耗或结构,因而对环境具有自适应功能。另
一类是光导纤维、压电陶瓷、压电高分子、应变合金及其它特种传
感器材料,可用作智能材料系统中的传感网络材料,其中,尤以光
导纤维最为重要。下面就上述各种关键基础材料作一简介。
3. 1 　形状记忆材料
3. 1. 1 　形状记忆合金( Shape Memory Alloy ,SMA)
形状记忆合金是利用应力和温度诱发相变的机理来实现形
状记忆功能的一类材料。其特点是:将已在高温下定型的形状
记忆合金,置于低温或常温下使其产生塑性变形,当环境温度升
高到临界温度(相变温度) 时,合金变形消失并可恢复到定型时
的原始状态。在此恢复过程中,合金能产生与温度呈函数关系
的位移或力,或者二者兼备。合金的这种升温后变形消失、形状
复原的现象称为形状记忆效应( SME) 。
形状记忆合金是集“感知”与“驱动”于一体的功能材料。若
将其复合于其它材料中,便可构成在工业、科技、国防等领域中
拥有巨大应用潜力的智能材料。国外学者普遍认为,形状记忆
合金可感知复合材料结构件中裂纹的产生与扩展,并可主动地
控制构件的振动,抑制裂纹的延伸与扩张,同时还可自动改变结
构的外形等。基于这些原因,有人建议将形状记忆合金、压电聚
合物等功能材料制成传感器和驱动器,置于先进的复合材料中,
以便实现对材料性能、结构振动与噪音吸收等的主动控制,或对
材料的损伤进行自愈合。事实上,国内外已有不少学者正在进
行这方面的工作。如北京航空航天大学就曾将TiNi 合金带复
合于易产生裂纹或损伤的金属构件内,并使之与微机监控系统
结合,制成了具有探测和控制裂纹扩展功能的TiNi 合金智能复
合构件,效果较好。
目前最常见的是Cu 基合金,它不仅成本低,而且由于热导
率极高,对环境温度反应时间短,故极宜于制作热敏元件。而最
著名、性能最佳的形状记忆合金当属TiNi 合金,由美国海军军
械实验室W. Buehler 首先发现,被称为Nitionl。这种合金可*
性最好,在强度、稳定性、记忆重复性与寿命等方面均优于铜合
金,但其加工难、成本高,而且热导率比Cu 合金要低好几倍。
此外,自1971 年以来,人们还在许多Fe 基合金中发现了形状记
忆效应。由于Fe 基合金成本低、刚性好、易加工,所以亦受到人
们的重视。目前,研究者的注意力主要集中在FeMnSi 合金上,
此外,还有FePt 、FePd、FeNiC、FeNiTiCo 等。尽管形状记忆合金
的种类不少, 但至今已实用化的只有TiNi 系合金( 如TiNi、
TiNiCu、TiNiFe 等) 和Cu 基合金(如CuAlNi、CuZnAl 等) 。表1 给
出了几种有代表性的形状记忆合金的成分与性能。
表1 　几种有代表性的形状记忆合金的成分与性能
合金种类
化学成份
(at) %
相变开始温度
Ms 点(K)
熔点
( ℃)
密度
(kg/ m3)
弹性模量
( GPa)
比电阻
(10 - 6Ω·m)
热导率
(W/ m·K)
膨胀系数
(10 - 6K- 1)
抗张强度
(MPa)
延伸率
( %)
TiNi Ti49～51 　Ni 余223～273 1240～1310 6400～6500 70～98 0. 50～1. 10 10～18 6. 6～10. 4 800～1100 40～50
CuAlNi
Al14～14. 5
Ni3～4. 5 　Cu 余
133～373 1000～1060 7100～7200 80～100 0. 10～0. 14 57～75 16～18 1000～1200 8～10
CuZnAl
Zn21. 4～25. 9 3
Al4. 0～5. 0 　Cu 余
93～373 950～1020 7800～8000 70～100 0. 07～0. 12 120 16～18 700～800 10～15
FeMnSi
Mn≈30
Si≈5 Fe 余
220～390 1315～1330 7200 — 1. 10～1. 20 — 15. 0～16. 5 700 25
　　　3 (wt) %
　　近年来,由于微电子机械系统的发展对新型驱动器的要求
日益迫切,加之溅射工艺技术的长足进步,形状记忆合金薄膜作
为新型驱动材料已脱颖而出,受到了人们的广泛注意。SMA 薄
膜除了具有SMA 体材的优点外,还由于其表面积加大,增强了散
热能力,从而提高了响应速度;因电阻率提高,增加了温度、应力
检测的灵敏度,并且易于集成化制造。故可以断言,随着智能材
料与结构以及微电子机械系统的发展,形状记忆合金薄膜将受
到人们进一步的关注和重视。
形状记忆合金的应用十分广泛,而且在某些领域已达到了
实用化的程度,但在多数领域仍有待进一步完善。形状记忆合
金在智能材料与机构中,主要用作驱动器(执行器) 。这种驱动
器具有不少优点:其一,由于形状记忆合金集“感知”与“驱动”于
一体,所以便于实现小型化;其二,元件动作不受温度以外的环
境条件的影响,故可用于某些特殊场合;其三,可产生较大的形
变量和驱动力。形状记忆合金的应用主要在以下6 个方面: (1)
机械器具:如潜艇用油压管、水管及其它各种管件接头、机器人
用微型调节器、热敏阀门、机器人手、脚、工业内窥镜、可变路标
等。(2) 汽车部件:如汽车发动机防热风扇离合器、汽车排气自动
调节喷管、柴油机卡车散热器孔自动开关、汽车易损件如外壳和
前后缓冲器等。(3) 能源开发:如固体发动机、太阳能电池帆板、
温室窗户自动调节弹簧、住宅暖房用温水送水管阀门、汲地下油
的机器、喷气发动机内窥镜等。(4) 电子仪器:如温度自动调节
器、光纤通讯用纤维连接器、空调风向自动调节器、咖啡牛奶沸
腾感知器、双金属代用开头等。(5) 医疗器械:如人工肾脏泵、人
工心脏活动门、人工关节、人工骨、避孕器具、脊椎矫正棒、脑动
脉瘤手术用固定器、牙科矫形丝、医用内窥镜等。(6) 空间技术:
如卫星仪器舱门自动启闭器、人造卫星天线,即“智能天线”等。
形状记忆合金的应用与市场前景十分喜人。例如从70 年代
开始,美国将形状记忆合金用于制造战斗机油压管接头,150 万
件无一例事故,因此美国军界规定今后的新型飞机油压管接头
一律采用形状记忆合金,并在潜艇和舰艇中推广。俄国、日本、
德国也在积极推广应用。1981 年开始实现形状记忆合金商品
化,仅俄罗斯一个铝合金研究院每年就生产形状记忆合金40 吨;
而美国则每月生产40 吨,而且用量仍在迅速增加;日本形状记忆
合金的销售市场,从1989 年到1993 年的四年中,扩大了20 倍,每
月销售额达20 亿日元。
3. 1. 2 　形状记忆高分子聚合物
形状记忆高分子聚合物是日本十年前率先开发出来的,属
于弹性记忆材料。这类材料,当其温度达到相变温度时,便从玻
璃态转变为橡胶态。此刻材料的弹性模量发生大幅度变化,并
576 《功能材料》1999 ,30 (6)
伴随产生很大变形。即:随着温度的增加,材料变得很柔软,加
工变形很容易;反之,温度下降时,材料逐渐硬化,变成持续可塑
的新形状。
3. 2 　电(磁) 致流变流体材料
3. 2. 1 　定义
电致流变流体(简称电流变体ERF : Electro - rheological flu2
ids) 材料和磁致流变流体(简称磁流变体MRF :Magneto - rheo2
logical fluids) 材料都是智能系统与机构中执行器的主选材料,由
于它们具有响应快速、连续可调、能耗低等优点,故其应用无疑
会给许多新技术和新学科的发展带来革命性的变化。据报导,
电(磁) 流变体的出现,已导致全世界50 %以上的液压系统和器
件需待重新设计。
电流变体与磁流变体均系用人工方法合成,并集固体的属
性与液体的流动性于一体的胶体分散体。确切地说,它们都是
微米尺寸的介电颗粒均匀弥散地悬浮于另一种互不相溶的绝缘
载液中时所形成的悬浮液体,而且,在外加电场或磁场作用下,
胶体粒子将被极化并沿电场方向呈有序链状排列,从而使其流
变特性如粘性、塑性、弹性等发生迅速而巨大的变化,或者由粘
滞性液体转变成固态凝胶,或者其流体阻力发生难以想像的变
化(剧增) 。
3. 2. 2 　组成
无论是电流变体还是磁流变体,其组成通常包含有如下几
种成分: (1) 连续介质(或称溶剂、载液) :为低粘度液体,如硅油、
石腊油、橄榄油、变压器油以及煤油、润滑油或真空油等矿物油,
还包括辛烷、甲苯、水银、烃类、酯类、聚苯醚等。一般来说,这些
液体应具备高密度、高沸点、高燃点、低冻点、低粘度、疏水性以
及电阻大、介电强度高、化学稳定性好、无毒、价廉等特点。通
常,其冻点为- 40 ℃左右。粘度为0. 01～10Pa·s ,介电常数为2
～15。(2) 粒子介质(或称溶质、介电微粒) :主要有三类:金属类
(如铁、钴、镍、铜、铁氧体、氧化铁、四氧化三铁等) 、陶瓷类(如压
电陶瓷、高岭土、硅藻土、硅石、沸石等) 、半导体高分子材料(如
明胶、淀粉等) 。粒子介质通常具有亲水性、多孔性。并且,在稀
流体中,在电场或磁场作用下呈分立的球形颗粒,各向异性。粒
子的直径一般为0. 01～10μm ,表面积约为400m2/ g。由介电粒子
及其表面包覆层所构成的分散相,其介电常数多数在2～40 的范
围内取值。一般情况下,粒子介质的体积约占连续介质的15 %
～45 %。(3) 稳定剂:主要有油酸、亚油酸等不饱和脂肪酸、酒精、
胺、聚胺类、磷酸衍生物、盐类、皂类、长链状高聚物等。其作用
是增加悬浮粒子的稳定性或产生粒子间的胶态分子团桥,让粒
子既不产生沉淀又不出现絮凝,从而使流体始终处于溶胶或凝
胶态。换言之,稳定剂的存在,使得分散粒子与连续介质之间形
成许多亚微粒群,且这些群体的空隙中含有大量的流体。无论
对何种流变体而言,稳定剂的恰当用量都是极其关键的,量少则
粒子产生沉淀。量多则流体呈浆糊状,一般用量为粒子重量的
0. 05 %～0. 03 %。(4) 添加剂:指有机活性化合物、非离子表面活
化剂和水等,通常也是流变体的重要组成部分。对于电流变体而
言,在许多场合下,是用水作添加剂。由于添加剂的含量直接并且
显著影响电流变效应,太高或太低都会使电流变效应明显减弱. 所
以,应严格控制水含量,一般其含量应占固体粒子重量的5 %～
10 %。此外,甘油、油酸、洗涤剂等有时亦可用作添加剂。
3. 2. 3 　市场与研究
目前,美国Lord 公司己有电流变体和磁流变体产品供应市
场。其中,电流变体产品可分三个档次,即在3kV/ mm 电场的作
用下,可产生0～lkPa 、0～2kPa 、0～3kPa 的切应力。磁流变体产
品在磁场作用下,所产生的切应力可高达90kPa 。有资料介绍,
电流变体在1～5kV/ mm 电场的作用下,不但其切变模量将发生
很大变化,而且过程极为迅速,完成时间小于1ms 。商业化的流
变体产品,无论是电流变体还是磁流变体,均要求具有良好的粒
子/ 载液组合、良好的温度稳定性与长期稳定性、优良的使用重
复性以及在低电场强度或弱磁场强度下呈现显著的流变效应。
浙江大学曾对固相材料的微观性质对电流变效应的影响进
行过研究。结果表明: ER 效应与固相(粒子) 含量密切相关。当
其含量超过某一定值时,体系的剪应力不再增加,这说明体系中
单粒子链比粗粒子链更容易传递应力;粒子的表面性质与微观
结构决定了它的ER 活性。未经热处理的粒子,其表面含有较多
的羟基( —OH) 。结构中亦存在着许多微孔,这些均有利于载荷
的迁徙,因而体系具有较好的ER 活性。反之, —OH 基团消失,
表面极性减小,微观结构变得密实,载荷不易迁徙,相应地电流
变效应趋于消失。
3. 2. 4 　应用
目前,电(磁) 流变体在国外已被广泛应用于航天、航空等诸
多领域,尤其是在自动化设备、通用与未来机械、石油化工与交
通运输等方面应用价值极大,故其市场前景甚好。1994 年前就
有专家预测:到1995 年,ERF 在美国和世界范围内的市场规模将
分别高达35 亿和200 亿美元;并且此后全球每年将超过或大大
超过200 亿美元。至于目前市场的实际状况,因资料所限,笔者
无法提供确切数据,但形势喜人则是无须置疑的。与此同时,在
国内,这方面的工作尚处于起步阶段,亟待深入。
电流变体主要用于制造各种力学元器件,如:离合器(具有
无级可调、容易控制、响应速度高的特点) 、减震器(可在约lms 内
实现由低粘度到高粘应的变化,从而可独立而迅速地实现减
震) 、液压阀等,此外,电流变体还可用于制造振动隔离系统,亦
可用于有关胶体系统传热与传质现象的研究。开发双热管交换
器和再生热交换器等。
尤其值得介绍的是,电流变体对于各种构件与建筑物的智
能化有着突破性的重大贡献。例如,若将ERF 材料通过复合置
于直升飞机的旋翼叶片中,便可实现叶片刚度的自动调节,以克
服由于温度变化与水气凝固所带来的负面影响,并可抑制机翼
翼面的振动。又如,若在注满电流变体材料的空心复合梁两端
加上一个外加电场,则由于电流变体的固化,梁的强度会大大提
高。如果将这个系统与传感器结合起来,就可使梁的性能随其
负载而变化。此外,若将电流变体材料用来制作建筑物的基础,
则在地震出现时便可实现建筑物的自动加固。
磁流变体的用途亦很广泛,特别是在机电工业中,例如,制
造磁液陀螺、磁液驱动装置;制作包括光传感器、温度传感器在
内的各种传感器;机器人肌肉、工业机械手、外科手术“磁刀”等。
需要指出: (1) 鉴于含水电流变体的诸多不足,无水电流变体
随之面世,并以其温度范围宽、能耗较小、性能较稳定等特点使
电流变体材料的研究出现了一个新的转机,因寻求性能更优的
无水电流变体材料,高分子聚合物受到人们的广泛青睐。(2) 磁
《功能材料》1999 ,30 (6) 577
流变体比电流变体在应用时更方便、更有效,因而更有发展前
景。因为要将电流变体从液体变为固体,通常需要外加2000V 以
上的高压;而对磁流变体而言,要使悬浮液呈粘滞状,并进一步
变为固体,只需改变磁场。显然,后者操作起来简便得多,因此,
磁流变体更为适用。
3. 3 　电致伸缩材料
3. 3. 1 　原理
电致伸缩材料,从某种意义上可以说就是指或主要是指压
电材料。因为,就物理实质而言,压电材料与电致伸缩材料并没
有根本区别,只不过前者强调的是利用正压电效应,后者强调的
是利用逆压电效应。事实上,压电材料是一种同时兼具正逆电
机械耦合特性的功能材料,若对其施加作用力,则在它的两个电
极上将感应产生等量异号电荷;反之,当它受到外加电压的作用
时,便会产生机械变形。基于这一原因,压电材料在智能机构中
被广泛地用作传感器和驱动器(即执行器) 。并且。这类传感器
和驱动器比其他类型的传感器和驱动器具有更为优良的频率特
性和可集成特性。若将它们与其他组元有效地组合起来,则可
构成一个对结构控制极为有效的智能材料系统。这个系统几乎
可以完全根据设计者的意图调整结构的阻尼与自振频率等动力
学特性,同时还可对结构的位移、应变、应力、加速度和破坏情况
进行自动监测。
3. 3. 2 　分类
常用的压电材料大致可分为三类。
第一类是无机压电材料,如压电晶体(石英SiO2 ) 和压电陶
瓷(钛酸钡BT、锆钛酸铅PZT、改性锆钛酸铅、偏铌酸铅PN、铌酸
铅钡锂PBLN、改性钛酸铅PT) 等。这类材料的研制成功,促进了
声换能器、压电传感器等各种压电器件性能的改善和提高。
第二类是有机压电材料,又称压电聚合物,如偏聚氟乙烯
( PVDF) (薄膜) 及以它为代表的其他有机压电(薄膜) 材料。这类
材料以其材质柔韧、低密度、低声阻抗和高压电电压常数( g) 等
优点为世人瞩目,且发展十分迅速,现已在水声、超声测量、压力
传感、引燃引爆等方面获得应用。不足之处是压电应变常数( d)
偏低,使之作为有源发射换能器受到很大的限制。
表2 将上述两类材料的性能进行了对比。
表2 　几种典型压电材料的性能
种类
性
能
居里点
℃
Emax
kVm
- 1
压电应变常数
d31/ pmV- 1
弹性模量
GPa
效率
×10 - 6
效率/ 电场
×10 - 6/ pmV - 1
PZTG1195 360 600 190 63 40 67
PZTG1278 190 600 250 60 50 83
PVDF 100 40000 23 3 21 0. 53
　　第三类是复合压电材料,这类材料是在有机聚合物基底材
料中嵌入片状、棒状、杆状或粉末状无机压电材料构成的,可以
说是第一类与第二类压电材料相结合的产物,但这种结合并非
是单纯地按比例机械混合,而是在材料设计中充分考虑两者之
间的“耦合效应”后所实现的最佳组合。这类材料,既具有高的
耦合系数、压电常数,又具有低密度、低声阻抗和良好的柔韧性,
至今已在水声、电声、超声、医学等领域得到广泛应用。如用它
制成水声换能器不仅具有高的静水压响应速率,而且耐冲击,不
易受损且可用于不同的深度。
3. 3. 3 　应用
可用于智能材料与结构的驱动器材料有许多种,但从实用
价值看,应用最广的仍是压电陶瓷与形状记忆合金。压电陶瓷
作为驱动元件,无疑具有价廉、小巧、质轻、易于与基体结合、响
应速度快等优点;此外,它对结构的动力学特性的影响很小;并且
通过分布排列可实现大规模的结构驱动,因而具有较强的驱动能
力和控制作用。但是,也应看到:应用于驱动器的压电陶瓷,由于
承担着将电能转换成机械能的职能,因此,它不但应具有大的机电
耦合系数与压电常数,还须具备高的机械品质因数Qm 与居里点,
为寻求这样的材料,国内外学术界做了大量的工作。
3. 3. 4 　研究现状
目前,关于压电材料的研究与应用工作,仍在继续深入。
北京航空航天大学曾对性能优良的37. 5Pb (Mg1/ 3Nb2/ 3 ) O3
- 25PbZrO3 - 37. 5PbTiO3 三元系压电材料进行了系列掺杂试验。
研究结果表明:多种添加剂的复合加入有可能实现材料Kp 与
Qm 之间的优化组合。在上述三元系材料中添加2mol %的NiO、
2mol %的Nb205 和0. 5 %(质量分数) 的MnO2 后,材料显示优异
的压电性能:机电耦合系数Kp = 0. 62、机械品质因数Qm = 300、
介电常数εr = 2400。
武汉工业大学为提高压电陶瓷的压电与机械性能,拓宽应
用领域,通过采用预先合成PZT(以确保基体具有单一的四方相
钙钛矿结构) 、多次预烧,以及加入过量的PbO、掺入若干微量元
素等方法成功地研制出PZSN 系材料,即Pb[ ( Zn1/ 3Nb2/ 3) ( Sn1/ 3
Nb2/ 3) ] (ZrTi) O3 系材料。实验表明,这类材料具有优良的压电
性能,尤其是微量元素Mn、Sb、Ba 、Sr 等的掺入,可使其压电系
数、机电耦合系数和机械品质因素得到大幅度的提高;控制掺杂
元素与掺杂量,可使材料适用于多个领域:既可用作接触与听觉
传感元件,亦可制作超声波压电换能器;不但可作为压电变压器
材料用于电视机显像管、雷达显示管、小功率激光管、离子发生
器、静电印刷与静电除尘等各种高压设备,而且可直接利用其正
压电效应产生高压,用于引燃和引燃装置。此外,还可用于铁电
存储与记忆等智能元件中。
弛豫铁电单晶Pb (Mgl/ 3Nb2/ 3) O3 - PbTiO3 ( PMNT) 等的成功
生长被认为是铁电领域50 年来的一次重大突破。权威认为,这
类单晶非凡的压电性能(异常高的d33与K33值) 有可能引发一场
超声换能器材料与器件的革命———医用B 超若用该单晶取代传
统的压电陶瓷PZT 作探头,其图像分辨率与频带宽度将大大提
高;声探与工业无损探伤系统也将因之而获得重大改进。中科
院上海硅酸盐所用熔体法制成了具有纯钙钛矿相结构的PMNT
单晶,其尺寸已达25mm(国际上多采用高温溶液法制备PMNT
单晶,其最大尺寸为15mm) ,压电常数可达1700PC/ N。该所还
用光学与电声显微镜对其电畴结构进行过研究。
作为兼具传感与驱动功能的压电陶瓷和形状记忆合金,尤
其是其薄膜材料,对于开发微型传感器和微型驱动器而言是甚
为关键的。但这两种材料各有不足:压电陶瓷虽然响应频率高,
但其应变量却很小,且脆性大,不能承受大的应变与应力的冲
击。形状记忆合金则相反,尽管它的应变量大(达8 %) ,可响应
频率却甚低。显然,若将两者的薄膜材料进行复合,则有可能同
时发挥压电陶瓷响应频率高和形状记忆合金应变量大的长处,
制得具有优异总体性能的复合薄膜。大连理工大学在这方面做
了许多有益的工作。他们采用两步水热合成法,在NiTi 基体上
成功地制备出NiTi/ PbTiO3 复合薄膜,并对其相结构、表面及界
578 《功能材料》1999 ,30 (6)
面形貌进行了较深入的研究。
含铅弛豫铁电陶瓷是近年来国内外广泛研究并迅速发展的
一种新型功能陶瓷。由于它具有很高的介电常数、相对低的烧
结温度、以及由“弥散相变”引起的较低电容温度变化率和频率
色散等特性,被认为是新一代多层陶瓷电容器的最佳候选材料。
同时,还因其具有很大的电致伸缩效应(电致应变△L/ L 可达
10 - 3 ,比一般压电陶瓷的逆压电效应高两个数量级) ;无剩余极
化;理论上无滞后、无老化(响应快、回零快、再现性好) ;驱动功
率小;热稳定性好和低膨胀等优点,故是制作微位移器、驱动器、
机敏材料与器件的理想材料,所以,在集成电路、计算机、自动控
制、精密光学、微型机械、微电子技术、显微分析技术及生物医学
工程等方面具有广阔的应用前景。最有代表性的弛豫性铁电陶
瓷是含铅的具有复合离子的Pb (B′B″) O3 型钙钛矿系列陶瓷。
其中B′与B″分别代表低价、高价阳离子。但是由于在制备中很
容易出现使材料介电与电致伸缩性能严重恶化的焦绿石相,所
以钙钛矿相的稳定性问题已成为研究的难点。为有效地消除焦
绿石,众多研究机构多年来对钙钛矿相结构的稳定性与焦绿石
相的形成规律等进行了深入的研究,并提出了各种抑制焦绿石
相形成的措施,同时形成了包括铌铁矿预产物合成法、添加稳定
剂法、掺杂法、高温等静压法、熔盐合成法、溶胶- 凝胶法与化学
制备法在内的一系列各有特色的制备技术。例如,不久前,上海
硅酸盐所就曾利用陶瓷流延成型技术和陶瓷坯膜金属内电极共
烧技术研制出多层式高含铅PZT 系压电陶瓷微位移器。应用表
明,该微位移器性能甚优,具有驱动电压低、位移量大、器件尺寸
小等特点,可满足高新技术发展的要求。
3. 4 　磁致伸缩材料
磁致伸缩材料是一种同时兼具正逆磁机械耦合特性的功能
材料。当它受到外加磁场作用时,便会产生弹性变形;若对其施
加作用力,则其形成的磁场将会发生相应的变化。故磁致伸缩
材料在智能系统或结构中,常被用作传感器和驱动器(执行器) 。
早期磁致伸缩材料的代表合金是Ni、NiCo 、FeCo 、镍铁氧体,
其磁致伸缩系数λs 大多很低,一般小于50 ×10 - 6 。后因稀土元
素的磁致伸缩效应很大,又研制出了稀土化合物,其λs 可达(100
～1000) ×l0 - 6 ,称为巨磁致伸缩材料。这类材料通常含有铽、钐、
镝等稀土元素,如TbFe2 、SmFe2 等。单晶TbFe2 与SmFe2 的
λ111的分别是2400 ×10 - 6和- 2100 ×10 - 6 ;多晶TbFe2 与SmFe2
的λs 分别是1753 ×10 - 6和- 1560 ×10 - 6 。不过它们的饱和磁场
都较高( ≥1T) 。为降低工作磁场,随后又开发了多元稀土化合
物,如(Tb ,Dy) Fe2 其λs 为(1100～1400) ×10 - 6 ,饱和(工作) 磁场
也降低到0. 15T 或更低。最近又有人研究出两种新的磁致伸缩
多层膜材料———TbCo/ FeCo 与TbFe/ Fe ,它们是交换耦合巨磁
致伸缩材料与高磁极化强度材料的复合材料,可在低磁场下工
作。
典型的巨磁致伸缩材料是以具有RFe2 Lave s 相为其结构特
征的(Tb0. 27Dy0. 73) Fe2 合金。这类材料的特点是:在磁场的作用
下,其长度、应力、弹性模量与声速均会发生变化,同时,因其磁
畴呈直线,故可承受大致1400με的应变,与压电陶瓷相比高一个
数量级,并且具有高的机电耦合系数和宽的工作温区。基于以
上原因,人们已在传感器、换能器、致动器、机器人、声纳系统、自
动控制,以及电子电讯、军事工程等方面开辟了广阔的应用领
域。如制作高功率线性马达、高扭矩低转速旋转马达和水力驱
动器等。用该合金制成的超高精密致动器具有高的精度与大的
输出力,可有效地简化伺服系统。
目前, (Tb0. 27Dy0. 73) Fe2 合金已成为一种引人注目的高新技
术材料,各国都在竞相研究开发并已进入商品化阶段。美国边
缘公司( ETI) 的产品牌号为Tefenol - D ;瑞典菲勒汀公司( Fere2
dyn - AB) 的产品牌号为MAGMEK86 ,成分为Tb0. 27Dy0. 73 Fe1. 95 ,
尺寸为ª6～30 ×200mm;英国最早生产的企业是稀土制品公司
(REP) ,时间是1990 年;北京钢铁研究总院现可提供尺寸为( ª8
～20) ×200mm 的批试产品。应该指出,巨磁致伸缩材料的用量
并不大,估计到2000 年全世界也不足200 吨,但因其价格昂贵,
故产值仍相当高。目前这类材料的实用性能水平为:λs = 1800 ×
10 - 6 ,磁各向异性E = 20. 24kJ / m3 ;实验室性能水平可达:λs =
2400 ×10 - 6 , E = 36kJ / m3 。这类材料现阶段的研究目标主要集中
在提高性能、改善工艺和降低成本三个方面。
3. 5 　光导纤维
光导纤维,有时亦可称为智能光纤。
众所周知,智能材料系统必须具备的最关键的功能之一是
“传感”。由于光纤具有其它任何材料都无法比拟的优异的传输
功能,可以随时提供描述系统状态的准确信息,因此理所当然地
成了最重要的信息传输材料,广泛地应用于各通信领域,并充任
了智能材料系统中“神经网络”的关键角色。同时,又由于通过
分析光的传输特性(强度、位相等) ,可获知光纤周围的密度、温
度、压力、压强、电场、磁场、化学成分、X 射线、γ射线、光电子流
等物理特性与环境条件的变化情况,故光纤还可用作传感元件
或智能材料系统中的“神经单元”。
光纤直径细、易弯曲、体积小、重量轻、韧性好、埋入性佳,并
且能耗低、频带宽、传输速率高、反应灵敏、抗电磁干扰能力强,
加之兼具信息感知与信息传输的双重功能,便于波分与时分复
用、分布传感与传感器复用,同时还耐高温、耐腐蚀,因此被世界
公认为智能材料系统与结构首选的传感材料。
近年来,在碳纤维或有机纤维/ 树脂基复合体中埋入光纤传
感系统已成为智能材料研究领域的重要手段和研究热点。由于
用于智能材料的光纤传感器与用于一般场合的传统传感器不尽
相同———前者系嵌镶在智能机构内,后看是处于自由空间中,因
此,对前者的尺寸、结构、涂层等均有不少特殊的要求,基于这一
情况,电子部四十六所研制出了新型的涂碳密封被覆光纤和细
径保偏光纤。实验与应用表明,这两种光纤性能优良,有重要的
实用价值。今后,随着智能材料实用化进程的推进与对智能材
料性能要求的扩展,世界各国无疑会加大对智能光纤的研究投
入与力度。
光纤的研究与应用,是一个跨学科、多技术、充满挑战性的
新领域,具有广阔的应用前景、巨大的科学意义和社会效益。70
年代,人们开始将光纤埋入复合材料结构中,用来测量结构内部
的应力、应变,以及结构的振动与损伤、裂缝的产生与扩展等,随
后又在航空航天领域获得了成功的应用,并逐渐形成一种有效
的无损检测技术。如将光纤材料植人机翼可避免因金属疲劳而
造成的飞机在空中解体的重大恶性事故。近年来,随着桥梁、隧
道、水坝、电站、油库等土建结构与基础设施越来越大型化,如何
保证其良好的工作状态已成为各国高度重视的难题。因此,人
《功能材料》1999 ,30 (6) 579
们把光纤的研究热点渐渐转向土建结构的安全监测领域。自
1989 年美国布朗大学将光纤用于混凝土结构检测开始,加、英、
德、日的科研机构相继开展了光纤在机敏土建结构中的应用研
究,其中以美国韦尔蒙特大学的研究成果最为突出。研究表明,
在土建结构中埋入光纤传感器,可赋予土建结构以一定程度的
生命与智能特征,使土建结构的离线、静态、被动的检查,转变为
在线、动态、实时、主动的监测与控制。这样,人们便可根据传感
器输出的信息来分析结构的安全状态,并据此及时实施结构的
维修、加固或停用。重庆大学将多模光纤模域振动传感器粘贴
在桥面铺装结构中,通过桥面的振动信息了解桥面裂纹的产生
与扩展情况,研究表明,这种方法彻底摒弃了以往那种劳动强度
大的静态检测(目视检查) 法,实现了检测自动化与远距离检测,
并且不需停止结构的正常工作,该方法已成功地应用于虎门大
桥的建设中。
关于智能光纤的特点与选用,有必要强调两个问题:其一,
光纤是作为传感介质与传输介质嵌埋在复合材料中的,这一特
殊环境,使得它与普通光纤相比,无论在规格尺寸和理化性能等
方面均有明显的区别,如要求直径细、强度高、耐疲劳、抗高温
等;其二,应根据不同的使用目的与场合,选用不同功能特征的
光纤。例如,若用单根光纤进行干涉测量,则需采用双模光纤、
保偏光纤、侧空光纤等;若进行参数的分布测量或利用波分复用
技术,则需要在光纤中制作布拉格光栅等。
3. 6 　功能凝胶
功能凝胶,又称愈合材料。这是一类具有特异功能与极强
粘合力的高分子材料。或者说,它是一类其状态可随环境条件
(如温度、压力等) 而变化,并能及时向结构供给能量与物质的强
力粘合材料。若将它装在脆性管道中埋入结构内部,那么,当结
构严重超载、地震、强台风等原因造成应力过大出现局部裂纹
时,脆性管道就能自行断开。呈液态的“愈合剂”便会自动渗进
裂缝与微裂缝的各个部位,并在极短的时间内迅速凝固,将裂缝
牢牢粘合,从而达到结构自修复与环境自适应的目的。目前,可
供采用的功能凝胶有:聚酸乙烯乳液、氯丁- 酚醛、聚乙烯醇缩
醛等。功能凝胶具有广阔的应用领域和前景,主要用于各类重
要结构的新建、改建、维修与加固,尤其是用于国家重大基础工
程结构中。
4 　开发智能材料的战略意义[1～3]
开发智能材料,无论对于推动科学技术的进步,还是促进国
民经济的发展,都具有重大的战略意义。具体地说:
(1) 、由于智能材料是一门多门类、多学科交*的科学,与物
理学、材料力学、电子学、化学、仿生学、生命科学、控制理论、人
工智能、信息技术、生物技术、计算机技术、材料合成与加工等诸
多的前沿科学及高新技术戚戚相关、紧紧相连,因此,它一旦有
所突破,便会导致众多学科的理论创新和许多领域的技术变革,
大大地推动国家科学技术的进步和综合实力的提高。
(2) 、智能材料具有十分重要的现实用途和极为广阔的应用
前景。从高精尖的宇宙探索,直到普通人的日常生活,智能材料
都起着重要的作用。例如,在各种关键装备设施和大型重要工
程中,智能材料能够在线、动态、及时、主动地“感知”自身的受
力、受冲击、振动、温度、裂纹等情况,以及受损伤的程度等,并可
通过预警、自适应调整、自修复补救等方式,预报以至消除危害,
从而极大地提高工程结构的安全性和可*性,避免灾难性事故
的发生。反过来,这一切“病兆”的预报与事故的避免,又将导致
现行结构安全监控概念的根本变化,并引起一场关于工程构造
设计思想的深刻革命。
5 　智能材料的发展前景[1～5]
智能材料已成为当今世界高度关注的热点和焦点,自1990
年以来,各种有关智能材料的学术团体、研究机构相继成立;有
关智能材料的国际研讨会几乎年年举行;并且创办了两种专业
性学术期刊。世界各国,特别是工业发达国家,纷纷将之列为国
家重大科研项目,加大投入,竞相发展。美国已将智能材料定为
具有战略意义、优先发展的研究领域之一;日本通产省工技院把
它列入1995 年开始实施的基础科学先导研究的七项重大项目之
一,并从1998 年开始,将之作为大学合作型产业科学技术研究开
发项目和国家21 世纪创新产业的加强支持项目;欧洲亦提出并
正在加紧实施智能复合材料结构研究计划。我国航天工业总公
司也将智能材料列入九五及中长期发展规划。
尤其需要提到的是:近年来,美国的一些政府机构,包括高
级研究计划局、国家航空航天局、陆军研究局、空军与海军研究
局等,在智能材料的研究方面,每年都投入了大量的资金。据粗
略估计,这些机构每年总投资均在4000 万美元以上。其中,仅高
级研究计划局1993 年就制订了一个为期6 年、费用高达5740 万
美元的研究计划,用于智能材料与结构的研究开发。
目前,国际上有关智能材料的研究重点集中在生物智能材
料与关键工程结构件材料的智能化两大方面,具体的研究热点
亦不少,主要包括:机敏材料、机敏传感器、机敏执行器以及智能
控制理论与关键共性技术、智能结构数学力学、智能结构设计理
论与方法、智能材料系统与结构的应用等。
6 　智能材料与材料科学的关系及其发展趋势[1～6]
智能材料的出现,推动了材料科学的发展。反过来,材料科
学的进步,不但模糊了结构材料与功能材料的界限,导致了智能
材料的问世,而且成了智能材料进一步发展的坚实基础和强大
动力。
纵观材料科学的发展历程,可以说,材料科学,尤其是近代
材料科学,是与智能材料戚戚相关的,并且呈现出以下四大发展
趋势: (1) 结构材料趋向结构功能化,或者说,结构材料朝结构功
能材料的方向发展; (2) 功能材料趋向功能多样化,或者说,功能
材料由单一功能材料向多功能材料的方向发展。(3) 一般功能材
料朝超功能材料,即朝智能材料的方向发展。确切地说是:具有
单一功能或多功能的功能材料朝智能材料系统与结构的方向发
展; (4) 关于智能材料与结构的研究,已越来越受人重视、引人注
目。这方面的工作,正由单纯的材料研制、模型实验,朝工程应
用研究的方向发展:同时,其研究成果正在迅速而广泛地应用于
与国民经济和人民生活密切相关的国家重要基础工程的设计、
建造、监控、加固与修复等各个方面。
综上所述,智能材料的面世,推动了材料科学的发展。材料
科学的进一步发展,有赖于智能材料研究的进一步深化。智能
材料引导着材料科学的发展方向,支撑着未来世界的技术进步。
580 《功能材料》1999 ,30 (6)
可以说,即将来临的21 世纪是人类对智能材料进一步深入认识、
高度重视、着力研究和广泛应用的世纪,也是智能材料在材料科
学领域称霸前沿、雄踞高峰、独领风骚的世纪。
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中国科技界面向21 世纪的空前盛会
———中国科协首届学术年会在杭召开
　　本刊杭州10 月22 日讯　西子湖畔,丹桂飘香。杭州名城,学者
云集。中国科学技术协会首届学术年会10 月18 日至21 日在这里隆
重召开。这次会议是中国科协自1958 年成立以来首次举办的高层
次、大规模、开放性、综合性的学术盛会,也是本世纪末我国最后一次
专家学者聚首一堂的大型科技活动。出席会议的有来自全国各地科
研院所、大专院校、企事业单位的4000 余名科技工作者。他们代表
115 个全国性学会,以及114 个省、市、自治区科协和20 多个大型企业
集团。
大会开幕式在浙江大学举行。全国人大常委会副委员长、中国
科协主席周光召、中国科协副主席、党组书记、书记处第一书记张玉
台、中共浙江省委书记张德江等领导同志出席开幕式。出席开幕式
的还有中央、国家有关部委、部分省、区、市以及中国科协和地方科协
的领导同志。一批知名科学家及两院院士亲临会议。张玉台副主席
主持开幕式并致开幕词。张德江书记致欢迎词。
大会上,周光召主席首先作了题为《历史的启迪和科学发现的
条件》的大会主题报告。报告甚为精彩,深受与会代表的好评。他认
为,产生重大创新的外部条件正在中国迅速形成。知识创新工程、人
才的培养和选拔、长期的开放政策以及稳定的政治形势使得整个社
会形成了尊重知识的新局面。自信不足、不敢对重大问题有所探索
是当前中国科技界存在的最大思想问题。他指出,中国目前最主要
的是要创造更多、更好的有利于科学家成才的条件和环境。中国人
完全有智慧、有能力创造出世界一流的科学成果。中国科学院院长
路甬祥在大会上作了题为《科学技术的百年回顾和展望》的报告。报
告中,他评述了相对论、量子论等重大科学理论成就;介绍了核能与
核技术、航空航天技术、新材料、计算机等重大技术成果;回顾了百年
创新思想、创新规律与创新体系的发展历程;最后展望了21 世纪科
学技术的发展前景,并着重强调了完善国家知识创新工程体系的重
要性。此外,会议还特邀胡启恒、王选、石元春、孙大涌、白春礼、张开
逊、龚育之等10 余位知名科学家和有关部委负责人在大会上作了专
题报告。其内容涉及了信息、工业、资源、环境、生物、农业、科学思想
等领域的现状及其在未来发展中的热点、焦点等问题。
本次大会的讨论主题是“面向21 世纪的科技进步与经济社会发
展”。会议全面交流了各学科领域近年来所取得的学术成就,展望了
21 世纪的学科发展,探讨了科技、经济与社会进步的相互关系。会
议主会场设在浙江大学邵逸夫体育馆。除主会场外,还有27 个专题
分会场,6 个自办分会场和一个青年科学家论坛。这27 个专题分会
场是: (1)数学; (2)物理; (3) 化学; (4) 天文学; (5) 地球科学; (6) 资源、
生态与环境; (7) 计算机应用; (8) 信息技术发展; (9) 高科技产业化;
(10)农业科技革命和农业产业化; (11) 高效农业和低成本农业; (12)
生命科学; (13)脑科学; (14) 细胞功能; (15) 现代医学; (16) 人与健康;
(17)材料科学; (18)工程技术; (19)能源; (20) 交通运输; (21) 知识经济
与国家创新体系; (22) 技术创新; (23) 科技、金融与市场; (24) 继续教
育和知识体系; (25)科学普及与提高劳动者素质; (26) 科技进步与经
济社会协调发展; (27)大中型企业改革发展。
在27 个专题分会场中,第17 分会场,即“材料科学”分会场格外引
人注目,这不仅是由于材料与信息、能源共同构成了新技术革命时代
的三大支柱,而且是因为该分会场所涉及的学科领域,分支繁多;创新
成果,目不暇接;学术报告,精彩纷呈。学术交流分特种功能材料、陶
瓷及低维材料、非金属材料及复合材料、金属材料及加工技术、腐蚀防
护、表面界面、性能评价、纤维材料及其它等六个专业组进行。各专业
组发言甚为踊跃,气氛十分热烈;讨论较为深入,交流颇具实效。
为鼓励在国防科研和生产战线上做出突出成绩的优秀青年科
技人员,本届学术年会在开幕式上还颁发了第二届中国科协求是杰
出青年奖。刘志红等19 位同志分别获得此奖下设的实用工程奖和
成果转化奖。
会议出版了两册编纂上乘、印刷精美的论文集。论文集由周光
召主编,中国科学技术出版社出版,上下两册共380 万字,书名是:
《中国科协首届学术年会1999:面向21 世纪的科技进步与社会经济
发展》。论文集分27 个专题刊载了3200 余篇论文,展示了我国各个
学科与技术领域近年来所取得的丰硕科学研究成就和技术创新成
果;探索了作为第一生产力的科学技术对经济建设与社会进步的能
动作用;展望了中国与世界科技领域的美好未来。