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智能材料研究進展及應用

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本文來源 | 新材料研習社

 

智能材料是自20世紀90年代開始迅速發展起來的一類新型功能材料,其集仿生、納米技術及新材料科學于一身,是21世紀最具有發展潛力的前瞻性研究領域之一。
 
智能材料的定義是:由多種材料組元通過有機緊密復合或嚴格的科學組裝而構成的材料系統。因此,智能材料必須具備感知、驅動和控制這3個基本功能要素。特殊的結構特征使得智能材料能夠對環境條件及內部狀態的變化做出精準、高效、適當的響應,同時還具備傳感功能、信息存儲功能、反饋功能、響應功能、自診斷功能和自修復能力等特征。
 

智能材料的功能特征

 
智能材料按照功能結構劃分主要分為新型功能性材料、功能轉化材料及新型結構材料三大類。根據智能材料的功能特征,可將其分為感知材料和響應/驅動材料兩大類。
 

智能材料的類別

 
智能材料研究進展
 
智能材料擁有很多普通材料不具備的特殊功能,現已逐步成為研究的重點與熱點,并且在物理、化學、電子、航空航天、生物醫學等領域得到廣泛應用。近些年來,形狀記憶材料、自修復材料、光熱敏感材料、壓電材料等引起了人們的廣泛關注。
 
形狀記憶合金的應用領域
 
不斷擴大形狀記憶合金(SMA)是一種具有“記憶”效應的合金,其可以在加熱升溫后完全消除在較低溫度下發生的變形,恢復變形前的原始形狀。形狀記憶合金由于具有優異的性能而被廣泛應用于日常生活中,以及航空航天、機械電子、生物醫學、橋梁建筑、汽車工業等領域。
 

記憶合金輪胎

 
自修復材料實現裝備低成本維護
 
材料損傷是影響材料功能的主要原因之一,微觀損傷進一步發展引發的宏觀損傷是對材料耐久性的最大考驗。如果能對這種早期的損傷或者裂紋進行修復,那么對消除安全隱患、增強材料的強度和延長材料的使用壽命則具有重大意義,自修復材料恰恰可以滿足這類需求。在現代工業裝備中,自修復材料由于可以感知環境變化并實時做出反應,故可以實現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。
 

由可自愈金屬-彈性體復合材料制成的復雜電路可承受拉伸和扭曲

 
光敏感材料實現智能材料
 
多功能化光敏感材料是指特制參數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現光敏感材料的功能,例如,電磁波譜的選擇特性、復合材料的強度特性、液晶材料的自變形特性等。
 
結語
 
智能材料是現代高技術新材料發展的重要方向之一,它使傳統意義下的功能材料和結構材料的關系更加緊密,未來智能材料的發展趨勢為更加高性能化、多功能化、復合化、精細化和智能化,在此基礎上,還包括以下兩個趨勢。
 
1、材料結構設計一體化
 
傳統的材料學存在“重材料、輕設計”的問題。智能材料的發展趨勢之一是通過微結構設計拓展結構組分材料的性能,實現特殊性能可定制化的宏觀結構。材料結構一體化設計可以有效打破對材料性能的傳統認知局限,基于材料的特定性能,通過細觀、微觀和宏觀多尺度結構構型的匹配設計,結合高性能制造技術,可得到具有多重功能特性的新型智能材料。
 
2、新的制造技術加速智能材料發展
 
與天然合成材料、人工制造材料和精細材料不同,智能材料是第四代材料,面向智能材料的先進制造會為智能材料發展提供新的途徑。例如,4D打印技術是將3D打印技術和智能結構結合的新興制造技術,其第四維度具備和感知材料相同的特性,即感知應力、應變、熱、光、電、磁、化學和輻射等外界刺激,并據此做出相應的響應。該技術使得智能材料的制造具有更為廣闊的前景。

 

 



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