智能材料的应用和发展

皖西学院本科毕业论文（设计）智能材料的应用和发展作 者李万飞指导教师郝洪荣【内容摘要】智能材料是一种感知外部刺激，能够判断并适当处理且本身可执行的新型功能材料。本文（主要）介绍了智能材料的仿生构想，并重点介绍了智能金属材料、智能无机非金属材料、智能高分子材料、智能纤维、仿生工程材料的构成原理、应用领域和研究现状，并阐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、仿生、智能纤维。The Application And Development Of Intelligent MaterialsContent Abstract：The intelligent material is one kind of new Functional Materials that can sensation the exterior stimulation, judge and proper treate, also iself can be executed. This paper (main) introduced the intelligent material biological modelling conception, and key introduced the Constitution principle, application domain and present research situation of Intelligence metallic material , intelligent inorganic nonmetallic material, intelligent high polymer material, intelligent textile fiber, and the bionic engineering materials. Elaborated the strategic significance of smart materials and look forward to its future development. At last, dscussed the relationship between smart material and materials science and its development trend.Key Words: The Itelligent Mterial,、The bionic,、Intelligent Fiber .一、智能材料在这个新材料层出不穷的时代，智能材料也是独领风骚的一朵奇葩，是二十世纪九十年代迅速发展起来的一类新型复合材料。智能材料又可以称为敏感材料，其英文翻译也有若干种，常用的有Intelligent material，Intelligent material and structure，Smart material，Smart material and structure，Adaptive material and structure等。它的构想来源于仿生(仿生就是模仿大自然中生物的一些独特功能制造人类使用的工具，如模仿蜻蜓制造飞机等等)，它的目标就是想研制出一种材料，使它成为具有类似于生物的各种功能的“活”的材料.因此智能材料必须具备感知，驱动和控制这三个基本要素。具体来说需具备以下内涵：(1)具有感知功能，能够检测并且可以识别外界(或者内部)的刺激强度，如电、光、热、应力、应变、化学、核辐射等；(2)具有驱动功能，能够响应外界变化；(3)能够按照设定的方式选择和控制响应；(4)反应比较灵敏，及时和恰当；(5)当外部刺激消除后，能够迅速恢复到原始状态。举一个简单的应用了智能材料的例子：某些太阳镜的镜片当中含有智能材料，这种智能材料能感知周围的光，并能够对光的强弱进行判断，当光强时，它就变暗，当光弱时，它就会变的透明。1 但是现有的材料一般比较单一，难以满足智能材料的要求，所以智能材料一般由两种或两种以上的材料复合构成一个智能材料系统。这就使得智能材料的设计、制造、加工和性能结构特征均涉及到了材料学的最前沿领域，使智能材料代表了材料科学的最活跃方面和最先进的发展方向。下面我们将从智能材料的特征、构成和分类来简单的介绍一下。1、智能材料的特征设计智能材料的两个指导思想是材料的多功能复合和材料的仿生设计，所以智能材料系统具有或部分具有如下的智能功能和生命特征： (1)传感功能（Sensor）能够感知外界或自身所处的环境条件，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（Feedback）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够识别传感网络得到的各类信息并将其积累起来。(4)响应功能能够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（Self-diagnosis）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问题进行自诊断并予以校正。(6)自修复能力（Self-recovery）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)自调节能力（Self-adjusting）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，并相应地改变自己的状态和行为，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。2、智能材料的构成一般来说智能材料由基体材料、敏感材料、驱动材料和信息处理器四部分构成。1(1) 基体材料基体材料担负着承载的作用，一般宜选用轻质材料。一般基体材料首选高分子材料，因为其重量轻、耐腐蚀，尤其具有粘弹性的非线性特征。其次也可选用金属材料，以轻质有色合金为主。(2) 敏感材料敏感材料担负着传感的任务，其主要作用是感知环境变化（包括压力、应力、温度、电磁场、PH值等）。常用敏感材料如形状记忆材料、压电材料、光纤材料、磁致伸缩材料、电致变色材料、电流变体、磁流变体和液晶材料等。(3) 驱动材料因为在一定条件下驱动材料可产生较大的应变和应力，所以它担负着响应和控制的任务。常用有效驱动材料如形状记忆材料、压电材料、电流变体和磁致伸缩材料等。可以看出，这些材料既是驱动材料又是敏感材料，显然起到了身兼二职的作用，这也是智能材料设计时可采用的一种思路。(4) 其它功能材料包括导电材料、磁性材料、光纤等。a、导电材料包含导电塑料和导电橡胶。导电橡胶是将玻璃镀银、铝镀银、银等导电颗粒均匀分布在硅橡胶中，通过压力使导电颗粒接触，达到良好的导电性能。导电橡胶具有良好的电磁密封和水汽密封能力，在一定压力下能够提供良好的导电性（抑制频率达到40GHz）。b、磁性材料主要是指由过渡元素铁、钴、镍及其合金等组成的能够直接或间接产生磁性的物质。磁性材料从材质和结构上讲，分为“金属及合金磁性材料”和“铁氧体磁性材料”两大类，铁氧体磁性材料又分为多晶结构和单晶结构材料。从应用功能上讲，磁性材料分为：软磁材料、永磁材料、磁记录-矩磁材料、旋磁材料等等种类。磁性材料从形态上讲。包括粉体材料、液体材料、块体材料、薄膜材料等。c、光纤是光导纤维的简写，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。微细的光纤封装在塑料护套中，使得它能够弯曲而不至于断裂。通常，光纤的一端的发射装置使用发光二极管（light emitting diode，LED）或一束激光将光脉冲传送至光纤，光纤的另一端的接收装置使用光敏元件检测脉冲。13、智能材料的分类智能材料是继天然材料、人造材料、精细材料之后的第四代功能材料。因为现在可用于智能材料的材料种类不断扩大，所以智能材料的分类也只能是粗浅的，分类方法也有多种，一般若按功能来分可以分为光导纤维、形状记忆合金、压电、电流变体和电（磁）致伸缩材料等。若按来源来分，智能材料可以分为金属系智能材料、无机非金属系智能材料和高分子系智能材料。目前研究开发的金属系智能材料主要有形状记忆合金和形状记忆复合材料两大类；无机非金属系智能材料在电流变体、压电陶瓷、光致变色和电致变色材料等方面发展较快。下面我们主要介绍智能材料八种主要种类：1）、形状记忆合金；2）、电流变体和磁流变体；3）、磁致伸缩材料；4）、压电陶瓷；5）、电致伸缩陶瓷；6)、光致变色玻璃；7) 、电致变色材料；8)、光导纤维。1）、形状记忆合金（SMA）一般金属材料受到外力作用后，首先发生弹性变形，达到屈服点，就产生塑性变形，应力消除后留下永久变形。但有些材料，在发生了塑性变形后，经过合适的热过程，能够回复到变形前的形状，这种现象叫做形状记忆效应（SME）。具有形状记忆效应的金属一般是两种以上金属元素组成的合金，称为形状记忆合金（SMA）2。根据不同的记忆功能，形状记忆合金可分为单程、双程、全程记忆效应和伪弹性等。(1)单程记忆效应(One Way Shape Memory，简称OWSM）：形状记忆合金在较低的温度下变形，加热后可恢复变形前的形状，这种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。 (2)双程记忆效应(Two Way Shape Memory，简称TWSM）：某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状，称为双程记忆效应。 (3)全程记忆效应( All-round Shape Memory，简称ARSM）：加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状，称为全程记忆效应。三种记忆效应图目前，已开发成功的形状记忆合金有TiNi基形状记忆合金、铜基形状记忆合金、铁基形状记忆合金等。 最早关于形状记忆效应的报道是由Chang及Read等人在1952年作出的。他们观察到Au-Cd合金中相变的可逆性。后来在Cu-Zn合金中也发现了同样的现象，但当时并未引起人们的广泛注意。直到1962年，Buehler及其合作者在等原子比的TiNi合金中，观察到具有宏观形状变化的记忆效应，才引起了材料科学界与工业界的重视。到70年代初，CuZn、CuZnAl、CuAlNi等合金中也发现了与马氏体相变有关的形状记忆效应。几十年来，有关形状记忆合金的研究已逐渐成为国际相变会议和材料会议的重要议题，并为此召开了多次专题讨论会，不断丰富和完善了马氏体相变理论。形状记忆合金的具体应用：工业应用：（1）利用单程形状记忆效应的单向形状恢复。如管接头、天线、套环等。（2）外因性双向记忆恢复。即利用单程形状记忆效应并借助外力随温度升降做反复动作，如热敏元件、机器人、接线柱等。（3）内因性双向记忆恢复。即利用双程记忆效应随温度升降做反复动作，如热机、热敏元件等。但这类应用记忆衰减快、可靠性差，不常用。 （4）超弹性的应用。如弹簧、接线柱、眼镜架等。 医学应用：TiNi合金的生物相容性很好，利用其形状记忆效应和超弹性的医学实例相当多。如血栓过滤器、脊柱矫形棒、牙齿矫形丝、脑动脉瘤夹、接骨板、髓内针、人工关节、心脏修补元件、人造肾脏用微型泵等。脊柱修复支架 人造血管2）、电流变体和磁流变体（Electrorheological fluid and Magnetorheological fluids）电致、磁致变体智能材料大多是由合成材料或陶瓷材料制成的，具有在电场或磁场的作用下发生变性的能力，其变化的大小与电场和磁场的强度有关。科学家研制成功一种电致变性材料，这种材料在接通电流时，可以从液体变为接近固体。如果向空心复合梁中充入电流变性液体材料，在外电场的作用下，这种液体材料就会变硬，从而使梁变成僵硬状。将电致变性现象与传感器结合起来，就可以实现使复合梁随着负载的变化而改变其性质。这将是装配结构智能化的一个突破性的新起点。电致变性材料还可以用作在地震时能自动加固建筑物的基础。此外，磁致变性材料在机电工业中也有广泛的用途。电流变体和磁流变体构成：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)：低粘度液体，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，包括辛烷、甲苯、水银、烃类、酯类、聚苯醚等。(2) 粒子介质(或称溶质、介电微粒)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。(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，粒子既不产生沉淀又不出现絮凝，而使流体始终处于溶胶或凝胶态。(4) 添加剂：有机活性化合物、非离子表面活化剂和水等，常也是流变体的重要组成部分。对于电流变体而言，许多场合下，用水作添加剂。93）、磁致伸缩材料（Magnetostrictive material）磁致伸缩材料是具有磁致伸缩特性的材料。磁致伸缩是指在交变磁场的作用下，物体产生与交变磁场频率相同的机械振动；或者相反，拉伸、压缩力作用下，由于材料的长度发生变化，使材料内部磁通密度相应地发生变化，在线圈中感应电流，机械能转换为电能。 目前磁致伸缩智能材料的主流是稀土磁致伸缩材料，稀土超磁致伸缩材料是近期才发展起来的一种新型功能材料。这种材料在电磁场的作用下可以产生微变形或声能，也可以将微变形或声能转化为电磁能。在国防、航空航天和高技术领域应用极为广泛，如声纳与水声对抗换能器、线性马达、微位移驱动（如飞机机翼和机器人的自动调控系统），噪声与振动控制系统、海洋勘探与水下通讯、超声技术（医疗、化工、制药、焊接等）、燃油喷射系统等领域。它具有磁致伸缩值大，机械响应速度快和功率密度高特点。10磁致伸缩智能材料的主要用途是：（1）由于稀土超大磁致伸缩材料比传统材料在性能上有了惊人的提高，所以在电器、家电、通讯器材、电脑等生产领域，稀土磁致伸缩材料逐渐取代了传统的磁致伸缩材料和电致伸缩材料，使产品升级和更新换代更加容易。（2）由于稀土超大磁致伸缩材料的独特的性能，特别是在应用领域里呈现出的重要使用价值，越来越受到人们的普遍关注，可被用于开发新一代的元器件，如广泛应用于精密控制系统（如油料控制、司服仪、导弹发射控制装置等），声光发射系统（如信号处理、声纳扫描、超声、水声等），以及换能器、驱动器等等的开发。对于磁致伸缩智能材料的应用，目前，美国位居各国之首，其成功标志在于开发出了一系列用于军事目的的尖端产品，如美国已成功地将其应用于舰艇水下声纳探测系统以及导弹发射控制装置等。但是我国对磁致伸缩智能材料新产品的开发还处于起步阶段，但也已呈现出良好的发展势头。如中国长江水利委员会应用这种材料，开发出了大功率岩体声波探测器，应用于三峡工程和地球物理勘探；辽河油田应用这种材料，开发出了井下物理法采油装量；东北大学和大连理工大学应用这种材料，拟在进给和精密定位方面进行联合开发。14）、压电陶瓷（Piezoelectric ceramics）压电智能材料可以将压强、振动等迅速转变为电信号，或将电信号转变为振动信号，也就是说压电材料在外电场的作用下可以产生微小变形，同时也可以将微小变形转变为电信号。而且新一代的压电材料还具有了条件反射和指令分析的能力。其特征和运转方式类似于人的神经系统，可执行类似于大脑的指令。压电材料的这种独特功能，使其在智能材料系统中具有广阔的应用前景。（1）压电陶瓷驱动器由于压电陶瓷具有把电能转变为机械能的能力，因此当应用系统通电给压电陶瓷时，使材料的自发偶极矩发生变化，从而使材料的尺寸发生改变，这种效应能产生200-300的微应变，据报道，88层的压电陶瓷片做成的驱动器可在20ms内产生50m的位移，响应速度之快是其它材料所无法比拟的，是高精度、高速驱动器所必须的材料，已应用在各种跟踪系统、自适应光学系统、机器人微定位器、磁头、喷墨打印机和扬声器等。（2）压电传感器由于压电材料对于所加应力能产生可测量的电信号，因此在高智能材料系统中可用做传感器。PVDF压电陶瓷的压电性比石英高3-5倍，压电系数值更高，并且可以做得很薄，可贴在物体表面，非常适合做传感器。在机器人上做触觉传感器可感知温度、压力，采用不同模式可以识别边角、棱等几何特征。同时这种材料具有热释电效应，可用作温度传感器。压电复合材料的发展，克服了压电陶瓷自身的脆性和聚合物压电材料的温度限制，而更加受到重视。杆状和片状这种柔性压电复合材料做成的传感器被广泛应用于水声和医用超声传感器，其灵敏度和力学性能很好。而另一种含有压电粉末的聚合物连通性压电复合材料，可做成膏状或涂层，涂于复杂形状结构上，可以提供该结构的应力状态以及安全状态。压电材料这一古老的材料，通过对其进行改性或与其它材料复合，应用在智能材料与结构中可以决传统技术中难于解决的一些关键问题，而且其作用也是其它材料难以取代的，应引起压电材料研究者的高度重视和深入研究。科学家最近研制成功一种压电晶体，如果将其放入壁纸中，就可以大大减小冰箱或空调机的噪声，给住户创造了一个安静的居住环境。15）、电致伸缩材料(Electrostriction material) （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。(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。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)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。116）、光致变色玻璃（Photochromic glass）在通常条件下，玻璃是透明的。对于有些玻璃，在紫外光或者可见光的照射下，可产生可见光区域的光吸收，使玻璃发生透光度降低或者产生颜色变化，并且在光照停止后不能自动恢复到原来的透明状态，称之为光致变玻璃。一般来说是在普通的玻璃成分中引入光敏剂生产光致变色玻璃，常用的普通玻璃有铝硼硅酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、磷酸盐玻璃等。常用的光敏剂包括卤化银、卤化铜等等。通常光敏剂以微Today Hot晶状态均匀地分散在玻璃中，在日光照射下分解，降低玻璃的透光度。当玻璃在暗处时，光敏剂再度化合，恢复透明度，玻璃的着色和退色是可逆的、永久的。 光致变色玻璃的装饰特性是玻璃的颜色和透光度随日照强度自动变化。日照强度高，玻璃的颜色深，透光率低；反之，日照强度低，玻璃的颜色浅，透光度高。用光致变色玻璃装饰建筑，使得室内光线柔和、色彩多变，又使得建筑色彩斑斓，变幻莫测，与建筑的日照环境协调一致。除用作变色眼镜外，还应用于建筑物门窗、幕墙、汽车防护玻璃、航天器窗口、激光防护、以及装饰等。127）、电致变色材料（Electrochromic materials）电致变色是指材料的光学属性（反射率、透过率、吸收率等）在外加电场的作用下发生稳定、可逆的颜色变化的现象，在外观上表现为颜色和透明度的可逆变化。具有电致变色性能的材料称为电致变色材料，用电致变色材料做成的器件称为电致变色器件。 电致变色材料分为无机电致变色材料和有机电致变色材料。无机电致变色材料的典型代表是三氧化钨，目前，以WO3为功能材料的电致变色器件已经产业化。而有机电致变色材料主要有聚噻吩类及其衍生物、紫罗精类、四硫富瓦烯、金属酞菁类化合物等。以紫罗精类为功能材料的电致变色材料已经得到实际应用。 （1）电致变色的工作原理：在外加电场作用下，材料由于电子、离子的双注入导致结构或价态发生可逆变化，进而调节材料的透过与反射特性，表现为材料颜色的变化。（2）电致变色技术的应用电致变色智能玻璃在电场作用下具有光吸收透过的可调节性，可选择性地吸收或反射外界的热辐射和内部的热的扩散，减少办公大楼和民用住宅在夏季保持凉爽和冬季保持温暖而必须消耗的大量能源。同时起到改善自然光照程度、防窥的目的。解决现代不断恶化的城市光污染问题。是节能建筑材料的一个发展方向。电致变色材料具有双稳态的性能，用电致变色材料做成的电致变色显示器件不仅不需要背光灯，而且显示静态图象后，只要显示内容不变化，就不会耗电，达到节能的目的。电致变色显示器与其它显示器相比具有无视盲角、对比度高等优点。用电致变色材料制备的自动防眩目后视镜，可以通过电子感应系统，根据外来光的强度调节反射光的强度，达到防眩目的作用，使驾驶更加安全。 电致变色智能玻璃能以较低的电压（2-5V）和较低的功率调节汽车、飞机内部的光线强度，使旅途更加舒适。目前，电致变色调光玻璃已经在一些高档轿车和飞机上得到应用。138）、光导纤维（Optical fiber）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、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。14（1）光纤-原理光纤实际是指由透明材料做成的纤芯和在它周围采用比纤芯的折射率稍低的材料做成的包层，并将射入纤芯的光信号，经包层界面反射，使光信号在纤芯中传播前进的媒体。一般是由纤芯、包层和涂敷层构成的多层介质结构的对称圆柱体。光纤有两项主要特性：即损耗和色散。光纤每单位长度的损耗或者衰减（dB/km），关系到光纤通信系统传输距离的长短和中继站间隔的距离的选择。光纤的色散反应时延畸变或脉冲展宽，对于数字信号传输尤为重要。每单位长度的脉冲展宽（ns/km），影响到一定传输距离和信息传输容量。（2）光纤-分类光纤正处在新产品的不断涌现的发展时期，种类不断增多，而且千变万化。近年来用于传感器的特殊光纤发展尤迅速。目前一般分类方法如下，按制作材料可分为：高纯度石英玻璃光纤、多组分玻璃光纤、塑料光纤；按传输模可分为：单模光纤、多模光纤；按用途可分为：通信光纤、非通信光纤特殊光纤。有低双折射光纤，高双折射光纤，涂层光纤，液芯光纤，激光光纤和红外光纤等。按制作方法可分为：化学气象沉淀法（CVD）或改进化学气相沉积法（MCVD），用来制作高纯度石英玻璃光纤；双坩锅法或三坩锅法，用来制作多组分玻璃光纤。（3）光纤液面探测器工作原理光纤传感技术是伴随着光通讯技术和半导体技术发展而衍生的一种新的传感技术，是光传感、光通讯、电子技术互相交叉、互相渗透的高科技技术，是国家“十五”重点支持发展的信息产业的重要组成部分。因此光纤技术在很多方面都有很大的应用，现简单介绍如下： 光纤液位传感器：在我国石油化工、冶金以及国防等部门，对油品和化工产品等易燃易爆液体类物质的储存、检测和安全管理一直是个难题。长期以来，大多企业是采用人工对其进行检测和管理，劳动强度大，又有危险性，储罐爆炸事件和人员伤亡事故时有发生。光纤液位传感器某检测湘度高，使用方便、稳定可靠，特别是采用光纤光缆采集和传输信号，做到现场无电检侧，本质安全防爆，特别适于易燃易爆场所的储罐检测。即将投产的光纤液位传感器价调查和分析表明，目前全国年需求量应在1万台以上，而1日市场需求仍在快鹏长如。接入网技术：所谓光接入网RECORD（OAN）就是采用光纤传输技术的接入网，泛指本地交换机或远端模块与用户之间采用光纤通信或部分采用光纤通信的系统。通常，OAN指采用基带数字传输技术并以传输双向交互式业务为目的的接入传输系统，将来应能以数字或模拟技术升级传输宽带广播式和交互式业务。光纤的应用还有：光纤高温测量仪、光纤阀位回讯器等。12二、智能材料的应用1、在军事领域中的应用1因为智能材料结构不仅象一般功能材料一样可以承受载荷，而且它还具有了其他功能材料所不具备的功能，即能感知所处的内外部环境变化，并能通过改变其物理性能或形状等做出响应，借此实现自诊断、自适应、自修复等功能。所以，智能材料在军事应用中具有很大潜力，它的研究、开发和利用，对未来武器装备的发展将产生重大影响。目前，在各种军事领域中，智能材料的应用主要涉及到以下几个方面：(1)智能蒙皮例如光纤作为智能传感元件用于飞机机翼的智能蒙皮中，或者在武器平台的蒙皮中植入传感元件、驱动元件和微处理控制系统制成的智能蒙皮，可用于预警、隐身和通信。目前美国在智能蒙皮方面的研究包括：美国弹道导弹防御局为导弹预警卫星和天基防御系统空间平台研制含有多种传感器的智能蒙皮；美空军莱特实验室进行的结构化天线（即把天线与蒙皮结构融合在一起）研究；美海军则重点研究舰艇用智能蒙皮，以提高舰艇的隐身性能。(2)结构监测和寿命预测智能结构可用于实时测量结构内部的应变、温度、裂纹，探测疲劳和受损伤情况，从而能够对结构进行监测和寿命预测。例如，采用光纤传感器阵列和聚偏氟乙烯传感器的智能结构可对机翼、机架以及可重复使用航天运载器进行全寿命期实时监测、损伤评估和寿命预测；空间站等大型在轨系统采用光纤智能结构，可实时探测由于交会对接碰撞、陨石撞击或其他原因引起的损伤，对损伤进行评估，实施自诊断。正在研究的自诊断智能结构技术有：光纤传感器自诊断技术，可以测量裂纹的“声音”传感器自诊断技术，及其它可监测复合材料层裂的传感器自诊断技术等。(3)减振降噪智能结构用于航空、航天系统可以消除系统的有害振动，减轻对电子系统的干扰，提高系统的可靠性。如美国防高级研究计划局资助波音公司研制的直升机智能结构旋翼叶片，可以改善旋翼的空气动力学性能，减小振动和噪音。智能结构用于舰艇，可以抑制噪声传播，提高潜艇和军舰的声隐身性能。智能结构用于地面车辆，可以提高军用车辆的性能和乘坐的舒适度。国外正在研究的具有减振降噪功能的智能结构，主要由压电陶瓷、形状记忆合金和电致伸缩等新材料制成。(4)环境自适应结构智能结构制成的自适应机翼，能够实时感知外界环境的变化，并可以驱动机翼弯曲、扭转，从而改变翼型和攻角，以获得最佳气动特性，降低机翼阻力系数，延长机翼的疲劳寿命。如当飞机在飞行过程中遇到涡流或猛烈的逆风时，机翼中的智能材料就能够迅速变形，并带动机翼改变形状，从而消除涡流或逆风的影响，使飞机仍能平衡地飞行。美国的一项研究表明，在机翼结构中使用磁致伸缩致动器，可使机翼阻力降低85%。美国波音公司和麻省理工学院联合研究在桨叶中嵌入智能纤维，电致流变体时可使桨叶扭转变形达几度。美国陆军在开发直升机旋翼主动控制技术，将用于RAH-66武装直升机。美国防部和航空航天局也在研究自适应结构，包括翼片弯曲、弯曲造型/控制面造型等。相信在不久的将来我们用智能材料制成的飞机机翼，就可以像鱼尾巴一样行动自如，自行弯曲、自动改变形状，从而改进升力和阻力，使飞机飞得更高、更快。2、智能材料与住宅智能化1让我们先来设想一下，未来的住宅会是什么样子：墙壁可以随心所欲的变换颜色；椅子可以随人体不同的需要改变温度和形状；一切的电器都是触摸式的，永远不会再有触电的危险；可视电话带有传感功能；。这是多么美妙的一幅未来图画！在以前或者还会把它当作幻想和科幻小说来看，但是随着智能材料的发展，尤其是毫微塑料设想的提出，智能化住宅已经不再只是梦想。虽然目前还处于设想阶段，但是已经开始着手进行研究，并且必然将在不久的将来成为现实。下面让我们来了解几种未来的智能产品。(1)多功能砖多功能砖用来构建整个房屋的结构单元，这种结构单元具有变通性和智能性。这种多功能砖主要由四个分层构成。第一层是功能层，能感受来自周围的声能、热能、光能，并能控制这些能量的输出，如果是内墙壁砖的话，还能控制和改变墙的功能；第二层是通讯层，能为居住者提供内外通信联系的通道，第三层是输送通道，可以用来输送水和其它材料。住户还可以挑选合适的带“面膜”的砖材。面膜是砖材的最上层，它也具有多功能性。如壁膜可以使墙壁产生不同的色彩和图案；传感膜可以接收声波、热能和可见光并予以减弱或增强；地膜可产生耐久的色彩和图案；界面膜可连接内外通信线路。面膜的设置及其构形并不是一成不变的，而是很容易剥离并换上新的面膜。(2)食物器皿在未来的厨房里不会看到传统的碗碟。在毫微塑料的桌面上旋转的碗不仅能测知食物的存在，而且可以根据用户的需要自行形成各种形状的碟子，供准备、烹调和上菜时使用。并且这种盛食物的碗还具有保温和在不使用冰箱的情况下保鲜的功能。(3)座椅用毫微塑料制作的坐椅不仅功能将大大增加，而且也将增加舒适程度。使用毫微塑料能改变椅座面的柔韧性和弹性，也可以形成各种型式的椅座面。如果出于美学的考虑，或是便于人们入座或从座椅中站起，毫微塑料也可以形成所需的任何图案或结构，还能改变座椅本身的结构。由于不同年龄段的人对温度舒适性的要求有很大区别，这种座椅还可以随心所欲地升温和降温。它甚至还对人们喜爱的舒适温度具有记忆功能(4)卫生间在卫生间里，常见设施是洗脸盆、抽水马桶和淋浴器。采用了智能结构的卫生间是这样的。在洗漱时，人们只要接触洗脸盆支架表面的任何区域，就能调节控制水温、水速和水流的状态（集中喷射的水流或宽阔的水帘状等）供人们选择。洗脸盆上方的镜子能照出人的正常反转象，还能照出真实的非反转象。抽水马桶的形状和大小可随使用者的不同而自动变化，坐垫自动加热至舒适的温度，整个结构十分轻便。无论安装在室内的任何地方，都能和多功能砖牢固地砌合，从而解决上下水的问题。在电脑住宅的厕所里，安装了一台检查身体的电脑系统，每当有人上厕所时，与马桶相连的体检装置即自动分析大小便的情况，如发现异常，电脑会立即发出警报，以便及时到医院去看病。淋浴设备只要和多功能砖相连接，上下水、水温和水流都能得到自动控制和调节。综上所述，未来的智能化住宅必将显著提高人们的生活质量。3、与现代医学相联系的智能材料1(1)人造肌肉因为生物弹性材料能模拟活体生物，而且其力量和反应速度均接近于人体的肌肉。所以这种材料可以应用于人体组织的修复，而且它们还具有与生物体的相容性，随着伤口的愈合，这种聚合物就会在体内逐渐降解，最后将会消失。(2)人造皮肤意大利比萨大学的科研人员为了使机器人与真人更接近，让它的皮肤具有感觉功能，研制成功一种人造皮肤智能材料，这种材料可以感知温度、热流的变化以及各种应力的大小，并且有良好的空间分辨力。这种智能材料还可以分辨表面状况，例如，粗糙度、摩擦力等(3)在药物自动投入系统上的应用科学家正在研制一种能根据血液中的葡萄糖浓度而扩张收缩的聚合物，这种聚合物可制成人造胰细胞，将它注入糖尿病患者的血液中，小球就可模拟胰细胞工作，使病人的血糖浓度始终保持在平常的水平上。(4)智能材料的两种抗癌应用有一种有效的抗癌药物胶囊，即药物“导弹”。其中的疏水性药物载体形成了“导弹”的疏水内核，而亲水性部分则在内核周围形成了一个水化物外壳。所形成的这种高分子聚合物胶囊是一种智能型药物载体，它能自动避免被机体内单核吞噬细胞捕获而有效的到达癌细胞所在地。90年代后期，研制出用对电磁场敏感的铁氧体包覆Ti-Ni形状记忆合金丝制成了癌症温热疗法用针。首先，通过导管将这种针植入病人癌变部位，由于形状记忆作用，这种针会发生弯曲变形现象；其次，在通过涡流效应产生高频电磁场作用下，形状记忆合金针将能够产生一定的热量而使癌变区得到萎缩。4、主动结构声控1智能材料系统中最成熟的应用领域大概就是主动结构声控。采用智能结构进行主动结构声控是降低军用系统噪声的有效途径。一般说来，可以采用两种方法来实现主动结构声控。一种是简单地使结构完全停止振动，显然它可以使声辐射降低到零，这是一种强制性的方法，往往也是办不到的。另一种就是采用智能控制方法，它是指有选择地控制辐射振动模。因为并不是所有的振动模都辐射“具有危险性”的声波，减少系统的质量和功耗也同样是必须考虑的因素，因而最好的办法是“感觉”辐射“具有危险性”的辐射波振动模，并使用分布在整个结构中的作动器（压电材料或电致流变体）对产生的该振动模进行控制。该方法的效率取决于对材料系统相互作用的基本物理现象的认识和智能材料系统的自适应能力。美国军方提出采用主动声控涂层进行声信号抑制，提高潜艇主动隐身性能。这项技术将使噪声降低60分贝，并使潜艇探测目标的时间缩短100倍。预计这种主动声控涂层将采用压电涂层材料和采用电致流变体技术的主动消声贴片。5、主动震动声控1震动会极大地降低工程系统的性能，如降低对地观测卫星的传感器精度，减弱跟踪和预警卫星跟踪目标的能力，使制导武器性能下降，导致系统金属结构的疲劳破坏，此外还会干扰空间站的微重力环境等。采用压电材料、形状记忆合金或电致流变体的智能结构均可实现振动的主动控制，提高军用系统的性能。如采用智能结构进行主动震动控制，可降低直升机旋翼的振动振幅以及产生可控的扭曲形变，提高直升机的有效载荷，使速度增加，戒备能力提高。空间系统的主动震动控制智能结构，主要采用压电陶瓷或电致伸缩材料作为作动器。考虑的主要因素是低功耗、耐久性、疲劳特性、稳定性和温度环境效应等问题，同时还考虑控制器的小型化。传感器可用光纤和压电材料。当系统结构受到外力作用振动并产生形变时，压电应变传感器可产生与压力成正比的表面电荷，控制系统对传感器测量的信号进行处理后，再给压电作动器反馈一个适当的电压，使其产生反向变形力，从而产生对系统结构的阻尼作用，使系统结构的振动随之迅速减弱。主动振动控制自适应结构，另一项主要应用是可能消除航天器控制系统与柔性结构的相互干扰作用，未来大型柔性航天结构因其振动频率低于控制系统的频率，会导致有害的控制结构干扰作用，用传统的设计方法不能消除这种作用，并且不能简单地从传感器中滤去结构振动信息，必须从结构优化、阻尼减振方面考虑。智能结构则是解决大型柔性结构相互干扰作用最有效的手段。在地震多发区应用智能结构的建筑物通过振动控制，将大大提高建筑物的抗震性。三、热点应用1、仿生学和航空航天用智能材料1“个人航空器”取代汽车已不再是科幻小说或周六早上卡通片中的幻想，在NASA兰利中心的专家正在研制一种奇异的技术使得个人“空中汽车”的梦想更接近于现实。自体愈合机翼可以象生命有机体一样可伸缩和有反应能力。多用途轰炸机，既可充当敏捷喷气战斗机，又可变成成群的微型无人驾驶航空器。这项航空航天科技重大突破的核心技术是“智能”材料。这种物质具有神奇的特性，它可以根据指令弯曲、可以“感受”压力、当放入磁场中，还可以从液态变成固态。兰利中心称这项新技术为“形态工程”。其主要任务是构想20年后划时代的航空航天设计是怎样的，并开始研制这项技术使其构想变成现实，例如，一架个人的空中汽车既要求它简洁，但同时可以在非常低和非常高的时速下飞行。我们要制造这样一种喷气式时代交通工具，需要机翼构型能够进行根本的变化。在非常高速和非常低速的状态下可以使用的机翼，是完全不同的。现在有些飞机已经具有可调机翼，如挪威的F-14雄猫飞机和B-1超音速轰炸机。这些飞机将刚性的机翼通过巨大、沉重的曲轴安装在机身上。作为对比，形态工程的科学家们所设想的机翼可以根据指令而展开。这种机翼是使用“形态记忆”合金或其他新颖的材料制成，可以弯曲产生新的形状。“形态记忆”合金具有独特的性能，当提供足够的热量后，它可以很快的恢复原有形状，任何形状都可以最终恢复成它原有的状态。在“形态工程”研究的新型材料中，形态记忆合金相对比较普通。观察一颗子弹穿过一层材料，材料被子弹穿射后便很快愈合了！记住，这不是科幻小说中的故事。自体愈合材料的确存在，兰利研究中心的科学家们正致力于揭开它们的密秘。兰利研究中心同时研究可定制变化的压电材料。这种物质随电压而变化，当扭曲这种压电材料时就会有电压产生，相反，如果对其提供电压则材料便会弯曲。科学家们利用这种特性，将其设计做应变传感器或“作动器”，安装在机器中作为可产生微小动作，例如移动飞机的副翼。结合微电子技术，这些材料可以从根本上提高未来飞机的设计水平。如果展望未来的20年，我们认为飞机已经可以随时进行分布式的自我评估和维修。要想达到这样的技术水平，需要在机翼中分布安装作动器和传感器，这如同人体的工作，我们有遍布全身的肌肉和神经，所以我们能意识到身体发生的变化并通过一些途径对这些变化产生反应。“形态工程”研究的一个方向是考察自然界中的生物是如何做它可以做好的事情，科学家们希望通过这项研究可以从中受到启迪以改善他们自己的设计。生物可以做一些我们根本不能做的事情。鸟类远比现在飞机更加灵活机动，鸟类可以盘旋，可以向后和侧向飞行。昆虫可以上下，一圈接一圈的飞行，而人类根本无法接近这些水平。“仿生学”这项从自然获取知识的实践，已经导致骨头仿生品和其它多种仿生品的研究。骨头之所以轻，是因为它内部的多孔结构，但它也非常坚固。兰利研究中心的科学家将聚合微球体注入到所期望形状的复合材料的壳体中，然后对这些球体进行加热，这样，这些微球体就如同细小的肥皂泡一样溶合到一起。这样的结构与骨头一样。2、智能传感器传感器（Sensor），传统上一般指能够感知到某种物理量（如电、光、磁等）、化学量（如浓度、PH值等）、生物量（如细菌等）等的信息，并将该信息转化为有用信息的装置。通常由敏感元件（感应变化）、转换元件（将变化转化为有用信息）和其他辅助元件组成。随着智能材料和人工智能技术特别是微计算机技术的迅猛发展，在许多智能化要求比较高的高新技术应用领域提出了智能传感器（Intelligent Sensor or Smart Sensor）的要求。这是一种将传感器与微型计算机集成在一块芯片上的装置。它的主要特征是将敏感技术和信息处理技术相结合，使其除了具有感知的本能外，还具有认知的能力。一般认为，智能传感器应具备以下条件：（1）由传感器自身能消除异常值和例外值，提供比传统传感器更全面、更真实的信息。（2）具有信息处理功能，如自动补偿功能。（3）具有信息存贮及自诊断功能。（4）具有自适应和自调节功能。（5）具有智能算法及自学习功能。（6）可以有数字通信接口，能实现网络化或远程通信。目前研制的智能材料传感器主要有光纤传感器、压电传感器和微芯片传感器等。3、象鸟一样飞的空中轿车1 新华网消息据环球科技报道美国国家宇航局官员发布消息称，该局下属的一个研究机构目前正在对鸟类和昆虫的飞行技术进行研究，准备在此基础上，利用一些最先研制的带有特殊属性的“智能”材料制造出全新的“空中轿车”。 美国国家宇航局蓝利研究中心(NASAs Langley Research Center)目标就是设计和研制出可以象鸟类和昆虫那样自由地在空中飞行的“轿车”，以取代目前人们普遍使用的只能在地上行驶的轿车，把这种“空中轿车”称作“个人飞行器”。虽然目前看来，这种“个人飞行器”与现实还有一段距离，但是我们相信随着研究的深入，“个人飞行器”的梦想将会一步步的实现。 与当今这些坚硬的、无“知觉”的笨重材料制造的飞机相比，可以想象“智能”材料将会为航空设计带来多大的变化。当然，“智能”材料的应用将不会仅限于航空业。4、太阳能智能服装1据4月14日出版的英国新科学家杂志报道，德国斯图加特大学电子物理研究所的马丁罗扬纳及其同事正在发明一种以太阳能为能源的新型化学纤维智能材料，可将手机和电子记事本直接在衣服上接通。 这种可与微电脑连接的高科技衣服现已研制出样品，也许很快就会正式上市。科技之光报道，这种新纤维和袖珍太阳能计算器一样，由3层薄薄的硅酮材料组成，外层是阴阳两极导体。当构成光线的光子与含有大量电子的第一层材料接触时，电子会向电子量稍少的下两层材料里移动，形成电流。尽管这种科技三明治模式的材料早已为人所知，但科学家这次采用了一种新技术，将非晶体状硅酮以圆筒形式合成，从而能很容易地制成柔软的太阳能导线，并能织入任何质地的衣料。这种太阳能导线能抵卸紫外线，耐热，且可在洗衣机中洗涤。如果使用这种纤维做船帆，甚至足以给一艘帆船上的器械充电。不过，在产品实用化之前，德国科学家还面临其他挑战，其中之一是如何把分散在衣料中的不同能量发射点的电流归成几个点区，形成接头处，以便与外界连接，变成真正的电插头。四、总结与展望1、开发智能材料的战略意义开发智能材料，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。2、 智能材料的发展前景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。3、智能材料与材料科学的关系及其发展趋势智能材料的出现，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。26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