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    智能材料研究进展及应用

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    本文来源 | 新材料研习社

     

    智能材料是自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。
     
    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等特征。
     

    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。
     

    智能材料的类别

     
    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。
     
    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。
     

    记忆合金轮胎

     
    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。
     

    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

     
    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。
     
    结语
     
    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。
     
    1、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。
     
    2、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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