机敏材料：定义与应用

机敏材料（smart material）又称智能材料（intelligent material），最早是由美国弗吉尼亚州立大学教授Craig Rogers于1995年9月在美国举办的“Smart Materials，Structure and Mathematical Issue”学术会议上提出的。机敏材料能模仿生物体，具有感知或控制等功能，是特殊功能材料中的一种，它本身就可以在电、磁、机械运动、流变等性能中的几项之间产生耦合行为，是近年来在世界上兴起并迅速发展的高层次功能复合材料［1-2］。我国学者认为智能材料是从自身的表层或内部获取关于环境条件变化的信息，并作出反应，以改变自身的结构与功能，使之与外界很好地协调。它能够感受外界环境的变化，属于一种具有感知或执行功能的材料，是材料科学发展的重要方向，并成为其他诸多学科和行业科技创新研究的源头。

机敏材料是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料，是现代高技术新材料发展的重要方向之一，将对未来高新技术的发展产生重要影响。由于机敏材料具有功能多样化的特征，因此科学家们预言机敏材料的研制成功和大规模的应用将导致材料科学的一次重大变革。

智能材料模糊了传统的结构材料和功能材料之间的界限，并加上了信息科学的内容，实现了结构功能化，功能智能化。师昌绪院士指出：智能材料就是具有控制功能的机敏材料，而机敏材料就是完成感知和驱动功能的材料。杨大智院士给出的定义是“智能材料是模仿生命系统，能感知环境变化，并能实时的改变自身的一种或多种性能参数，做出所期望的、能与变化后的环境相适应的复合材料或材料的复合”。据此定义，不难获得两个信息一是智能材料的组成是一种结构系统，一是该结构系统具有的“智能特性”的本质。由此可知，智能材料是一种同时具有感知和控制等功能的材料是一种具有传感或执行的双重功能的功能材料，它无须外界的帮助，而本身就可以在电、磁、热、机械运动、光、声、化学、流变等等性能中的几项之间产生耦合行为。它既能感知外界环境状态的变化，又能针对这种变化以最佳条件做出瞬时主动响应、传输分析有关信息，做出类似生物体的智能反应，具有自诊断、自适应、自修复和寿命预报以及靠自身驱动完成特定功能的能力。它是传感材料和传动材料两种功能材料的组合，是高层次的功能复合，而不仅仅是一种单纯的传感材料或传动材料。智能材料一般具有四种主要功能：

（1）对环境参数的敏感；

（2）敏感信息的传输；

（3）对敏感信息的分析、判断；

（4）智能反应。

当智能材料和具体结构形式结合在一起时便构成了智能结构，不过国内一些有关文章将智能结构和智能材料统一称为“智能材料”，认为“智能材料和结构密切相关，互为一体，因此确切说法应为智能材料系统和结构简称智能材料”。这是20世纪后期在世界上兴起并迅速发展的材料技术的一个新领域、是构件设计的一种新技术方法。(www.xing528.com)

智能材料分为本征型智能材料和集成型智能材料两类。本征型的智能材料是指智能材料的力学性能与被应用的结构材料的力学性能基本相同，相对于被应用结构便可认为是一种本征型的智能材料。本论文讨论的碳纤维机敏混凝土相对于混凝土结构而言，就属于本征型智能材料。集成型智能材料是指由传感器、控制器和执行器等潜入结构中而集成的功能系统，如光纤传感器件、压电传感驱动器件等。还有人将智能材料分为主动式智能材料和被动式智能材料两类。主动式智能材料是指能感知环境的变化，利用反馈系统产生瞬时主动响应的智能材料。如丰田汽车公司在汽车的悬架系统中采用压电传感器感知路况，并输入信号到压电驱动器系统，从而自动调整悬架以补偿不规则路况。被动式智能材料是指能响应环境变化的智能材料，它通常具有自愈合、承受突然变化的待命能力。有些智能材料具有传感器和执行器的双重功能，压电陶瓷便是这类智能材料最典型的例子之一，它作为传感器时将力学量转换为电学量，而作为执行器时，又将电学量转换为力学量。

智能材料相关的特性很多，主要包括以下特性：

（1）敏感特性能感知环境的各种参数及其变化。

（2）传输特性在材料与结构中类似人的神经网络传递各种信息。

（3）智能特性是智能材料的核心，也是智能材料与普通功能材料的主要区别。除了能感知、传输环境参数外，还应能分析、判断参数的性质与变化。

（4）自适应特性智能材料中的各种微型驱动系统做出各种动作，使智能材料自动适应环境参数的变化或自动修复各种构件的损伤。（5）相容特性相容性的内容很多，原则是以埋置的材料性质与原构件材料基质的性质越相近越好，主要包括强度相容、界面相容、尺寸相容和场分布相容等。