智能材料的结构和性能综述

2019-11-28付永晟

商品与质量 2019年8期

关键词：反馈系统执行器高分子

付永晟

河北恒工机械装备科技有限公司河北邯郸 056000

智能材料是一种新型的材料技术。我国经济和科学技术不断发展的过程中，对智能材料的研究也越来越深入。智能材料具有感知功能、信息处理功能以及执行功能。此类智能材料可以在周围环境的变化下，调整自身结构，以便适应周围环境的变化。

1 智能材料结构

1.1 按照生产方式来划分

智能材料按照不同的生产方式可以分为不同的结构类型。比如按照生产方式的不同可分为人工智能材料和天然智能材料。所谓的天然智能材料主要是指人和动物的皮肤、肌肉、骨骼、脏器等。所谓的人工智能材料主要是指人为制造生产出来的智能材料，它是科学技术不断发展的产物，凝结了人类的智慧和劳动成果。因此人工智能材料也可以叫做生物拟态材料。

1.2 按照驱动方式来划分

智能材料按照不同的驱动方式可以分为不同的结构类型。如嵌入式智能材料和被动式智能材料。嵌入式智能材料也成为主动式智能材料。嵌入式智能材料主要是在原材料的基础上将传感功能、动作功能以及执行功能等埋入其中。在传感元件的作用下，感知周围信息，促使自身结构发生变化，以便可以适应周围环境的变化要求。其嵌入式智能材料功能实现的流程如下。首先依靠传感器收集周围信息，再借助反馈系统整合外界信息，调整结构本身，以适应周围环境的变化。如，变色太阳镜、自滤波玻璃等都属于嵌入式智能材料[1]。

1.3 按照材料基质不同来划分

按照材料基质的不同可分为以下几种。金属系智能材料、无机非金属系智能材料、高分子系智能材料。利用金属系智能材料判断材料自身的使用寿命，并对今后出现的异常问题进行提前预告。在陶瓷制造业中，将金属性智能材料埋入另一种物质内部，可以在应力、相变等作用下修复自身存在的裂纹。或者自动将自身的成分析出来实现填充修复作用。日本等发达国家在对金属系智能材料的研究过程中发现，利用颜色、声音以及电信号等可以判断材料在使用过程中是否出现了损伤和性能减退的问题，问题一旦识别出来可以激活自我修复功能。无机非金属智能材料被应用在陶瓷制造业中，可以依靠智能化材料向外作功、发射声波辐射电磁波和热能，这样可以将化学反应速度加快，及时针对外界环境做出调整。高分子系智能材料是不基质下智能材料的一种。高分子凝胶材料属于一种是三维网络，分析该材料的结构与生物体组织较为相似。高分子系智能材料可以在不容的溶剂种类、盐浓度、pH值、温度下，受不同电刺激和光辐照的影响，在体积上发生变化。高分子系智能材料体积在变化的过程中，主要是立足与分子水平、高分子水平、大分子间水平之间相互刺激而发生的响应。在生物医用材料的研究领域采用高分子系智能材料有较好的使用前景。举例来说，将高分子系智能材料制成药物释放体系（DDS）载体材料，临床上使用此种材料可以根据病灶自身引起的化学反应、物理量信号的变化。在自反馈系统的参与下控制药物释放的通断特性。比如，患者在血糖浓度上升的情况下可以促使胰岛素释放体系响应，激活此体系将血糖维持在一定水平[2]。

2 智能材料性能

2.1 感知、反馈及执行功能

感知、反馈和执行功能是智能材料最基本的功能。智能材料中的传感器主要对周围环境的变化进行感知，将存在与周围环境中难以测量的物理量X转化为便于测量的Y。在电学量的辅助下对周围环境进行感知。智能材料的执行器包括多种类型，根据驱动信号Z将相应的动作指令W输出是执行器的主要作用。执行器在功能结构上存在较大的复杂性。提高陶瓷机敏性的关键离不开反馈系统，该系统主要针对传感器输出的Y信号进行处理加工，赋予材料不同特性。执行器在将驱动信号输出的基础上，智能材料可以利用其中的控制执行器完成人们规定进行的动作指令。利用反馈系统可以甄别虚假信号，同时避免出现虚假信号的干扰。在处理输出信号时需要进行放大处理，将其处理后的数据可满足反馈函数的需求。在陶瓷制造技术中，伴随科学技术的不断发展，陶瓷集成和硅集成技术有了显著发展。此种集成技术可以将传感器、反馈系统以及执行系统的功能集成在同一个单元，优化材料性能。

2.2 信息处理功能

智能材料智能化的体现离不开信息处理功能。依靠智能材料的信息处理功能可以将材料的结构变得更加合理。其中演绎能力、归纳能力以及决策能力是智能材料在处理信息时不可缺少的技术手段。其中模数识别法是智能材料结构的信息处理中非常重要的技术手段，可分为统计决策法、逻辑推理法、非数值特征值法等[3]。

2.3 驱动元件和传感元件

智能材料功能的实现需要经过以下环节。首先，对外界参数进行识别，在识别参数的基础上，制定行动计划。行动计划的实现离不开智能材料找那个埋入的驱动件。驱动件可以在调节自身结构的基础上适用多种环境的变化，如改变自身的结构形态、固有频率、位置、阻尼、刚度、摩擦阻力等。其中常见的驱动元件主要有形状记忆合金、电流变体、压电元件、形状记忆聚合物等。感知功能是智能材料重要的性能之一。所谓的感知功能就是感觉能力。智能材料发挥感知功能的前提离不开埋入智能材料当中的传感元件。智能材料中的传感元件可以将外界的各种信息进行收集，在整合分析的基础上，利用信息资料控制驱动元件。为了提高智能材料的感觉功能，可以将不同的传感元件埋入进去，如光导纤维、压电薄膜、电阻应变丝、碳纤维、半导体等[4]。