高分子智能材料

1、高分子智能材料高分子智能材料孫慧孫慧 1511090300615110903006一、一、智能材料智能材料基本原理基本原理1、什么是智能材料、什么是智能材料2、智能材料的特征、智能材料的特征3、智能材料的構(gòu)成、智能材料的構(gòu)成4、智能材料的分類、智能材料的分類1、什么是智能材料？、什么是智能材料？智能材料是二十世紀(jì)90年代迅速發(fā)展起來的一類新型復(fù)合材料。 大體來說，智能材料就是指具有感知環(huán)境（包括內(nèi)環(huán)境和外環(huán)境）刺激，對之進(jìn)行分析、處理、判斷，并采取一定的措施進(jìn)行適度響應(yīng)的智能特征的材料。具體來說，智能材料需具備以下內(nèi)涵： (1)具有感知功能，能夠檢測并且可以識別外界(或者內(nèi)部)的刺激強度，如電

2、、光、熱、應(yīng)力、應(yīng)變、化學(xué)、核輻射等； (2)具有驅(qū)動功能，能夠響應(yīng)外界變化； (3)能夠按照設(shè)定的方式選擇和控制響應(yīng)； (4)反應(yīng)比較靈敏、及時和恰當(dāng)； (5)當(dāng)外部刺激消除后，能夠迅速恢復(fù)到原始狀態(tài)。智能材料的構(gòu)想來源于仿生學(xué)，它的目標(biāo)就是想研制出一種材料，使它成為具有類似于生物的各種功能的“活”的材料。 獨角仙的外殼可以隨著外界空氣變潮濕其外殼的顏色由綠色變成黑色。它所呈獨角仙的外殼可以隨著外界空氣變潮濕其外殼的顏色由綠色變成黑色。它所呈現(xiàn)的外殼結(jié)構(gòu)特征將成為未來一種現(xiàn)的外殼結(jié)構(gòu)特征將成為未來一種智能材料智能材料的重要特性，科學(xué)家可以依據(jù)這的重要特性，科學(xué)家可以依據(jù)這種特征研制作為濕度探

3、測器的新型材料，它可用于在食品加工廠監(jiān)控濕氣指數(shù)。種特征研制作為濕度探測器的新型材料，它可用于在食品加工廠監(jiān)控濕氣指數(shù)。2、智能材料的特征、智能材料的特征 因為設(shè)計智能材料的兩個指導(dǎo)思想是材料的多功能復(fù)合和材料的仿生設(shè)計，所以智能材料系統(tǒng)具有或部分具有如下的和： （1）傳感功能：能夠感知外界或自身所處的環(huán)境條件，如負(fù)載、應(yīng)力、應(yīng)變、振動、熱、光、電、磁、化學(xué)、核輻射等的強度及其變化。 （2）反饋功能：可通過傳感網(wǎng)絡(luò)，對系統(tǒng)輸入與輸出信息進(jìn)行對比，并將其結(jié)果提供給控制系統(tǒng)。 （3）信息識別與積累功能：能夠識別傳感網(wǎng)絡(luò)得到的各類信息并將其積累起來。 （4）響應(yīng)功能：能夠根據(jù)外界環(huán)境和內(nèi)部條件變化，

4、適時動態(tài)地作出相應(yīng)的反應(yīng)，并采取必要行動。 （5）自診斷能力：能通過分析比較系統(tǒng)目前的狀況與過去的情況，對諸如系統(tǒng)故障與判斷失誤等問題進(jìn)行自診斷并予以校正。 （6）自修復(fù)能力：能通過自繁殖、自生長、原位復(fù)合等再生機制，來修補某些局部損傷或破壞。3、智能材料的構(gòu)成、智能材料的構(gòu)成 一般來說智能材料由基體材料、敏感材料、驅(qū)動材料和信息處理器四部分構(gòu)成。（1）基體材料）基體材料基體材料擔(dān)負(fù)著承載的作用，一般宜選用輕質(zhì)材料。一般基體材料首選高分子材料，因為其重量輕、耐腐蝕，尤其具有粘彈性的非線性特征。其次也可選用金屬材料，以輕質(zhì)有色合金為主。（2）敏感材料）敏感材料敏感材料擔(dān)負(fù)著傳感的任務(wù)，其主要作用

5、是感知環(huán)境變化（包括壓力、應(yīng)力、溫度、電磁場、pH值等）。常用敏感材料如形狀記憶材料、壓電材料、光纖材料、磁致伸縮材料、電致變色材料、電流變體、磁流變體和液晶材料等。（3）驅(qū)動材料）驅(qū)動材料因為在一定條件下，驅(qū)動材料可產(chǎn)生較大的應(yīng)變和應(yīng)力，所以它擔(dān)負(fù)著響應(yīng)和控制的任務(wù)。常用有效驅(qū)動材料如形狀記憶材料、壓電材料、電流變體和磁致伸縮材料等?？梢钥闯?，這些材料既是驅(qū)動材料又是敏感材料，顯然起到了身兼二職的作用，這也是智能材料設(shè)計時可采用的一種思路。圖所示為智能材料的基本構(gòu)成和工作原理。、高分子智能材料 高分子智能材料，人稱機敏材料，它是通過有機和合成的方法，使無生命的有機小分子材料通過各類反應(yīng)形成相

6、對分子質(zhì)量較大的并且具有了特定“感覺”和“知覺”的新型材料。4 4、高分子智能材料的分類、高分子智能材料的分類智能高分子凝膠形狀記憶高分子材料智能織物智能高分子膜（1）智能高分子凝膠 智能高分子凝膠是一種三維高分子網(wǎng)絡(luò)和是一種三維高分子網(wǎng)絡(luò)和溶劑組成的體系。這類高分子凝膠材料可隨溶劑組成的體系。這類高分子凝膠材料可隨環(huán)境的變化而產(chǎn)生可逆的、非連續(xù)的體積變環(huán)境的變化而產(chǎn)生可逆的、非連續(xù)的體積變化?；?根據(jù)溶脹劑不同兩類：高分子水凝膠和根據(jù)溶脹劑不同兩類：高分子水凝膠和高分子有機凝膠高分子有機凝膠用途 高分子凝膠的溶脹收縮循環(huán)可用于化學(xué)高分子凝膠的溶脹收縮循環(huán)可用于化學(xué)閥吸附分離、傳感器和記憶材

7、料。循環(huán)提供閥吸附分離、傳感器和記憶材料。循環(huán)提供的動力可用于設(shè)計化學(xué)發(fā)動機，網(wǎng)孔的可控的動力可用于設(shè)計化學(xué)發(fā)動機，網(wǎng)孔的可控性可用于藥物釋放體系。性可用于藥物釋放體系。（2）形狀記憶高分子材料 具有形狀記憶功能的高分子材料 高分子材料的形態(tài)記憶功能由其特殊的內(nèi)高分子材料的形態(tài)記憶功能由其特殊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)所決定。部結(jié)構(gòu)所決定。 在其內(nèi)部存在著互相結(jié)合成網(wǎng)狀的架橋，架橋的存在使高分子鏈間不發(fā)生滑動。把它加熱到高于Tg 溫度使之變形后,再冷卻至室溫,由于高分子鏈運動變形使之保持一定狀態(tài)。 再重新加熱到Tg 以上溫度，殘留的翹棱被釋放出來,恢復(fù)到原來架橋出現(xiàn)時的狀態(tài)。用途n醫(yī)學(xué)方面 形狀記憶高分子樹脂

8、可形狀記憶高分子樹脂可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的石膏繃帶，具代替?zhèn)鹘y(tǒng)的石膏繃帶，具有生物交接的形狀記憶高有生物交接的形狀記憶高分子材料可以用作組合縫分子材料可以用作組合縫合器材、止血鉗等。合器材、止血鉗等。n航空方面 形狀記憶高分子樹脂被形狀記憶高分子樹脂被用于記憶的振動控制。用于記憶的振動控制。n其他方面 熱收縮膜和熱收縮管熱收縮膜和熱收縮管（3）智能織物v具有智能性的織物，防水透濕、溫度調(diào)節(jié)、形狀記憶、顏色變化等。v壓力繃帶，這類織物具有這類織物具有可逆收縮，受潮濕時收縮，可逆收縮，受潮濕時收縮，干燥后恢復(fù)到原始尺寸，干燥后恢復(fù)到原始尺寸，濕態(tài)收縮率可達(dá)濕態(tài)收縮率可達(dá)35%35%。在血。在血液中收縮，在傷

9、口所產(chǎn)生液中收縮，在傷口所產(chǎn)生的壓力有止血作用，繃帶的壓力有止血作用，繃帶干燥時壓力消除。干燥時壓力消除。v調(diào)溫纖維（4）智能高分子膜 高分子膜材具有物質(zhì)滲透和分離功能 ，現(xiàn)正以生體膜為模型研究開發(fā)刺激響應(yīng)性多肽膜 ，利用可逆的構(gòu)象及分子聚集體變化，制成穩(wěn)定性優(yōu)異的膜材。 它主要有超分膜、分離膜、控制釋放膜、診斷用人工細(xì)胞膜和仿生治療系統(tǒng)。1、在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用與現(xiàn)代醫(yī)學(xué)相聯(lián)系的高分子智能材料主動震動聲控二.高分子智能材料的使用領(lǐng)域1、在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用 目前，在各種軍事領(lǐng)域中，高分子智能材料的應(yīng)用主要涉及到以下幾個方面： （1）智能蒙皮 例如光纖作為智能傳感元件用于飛機機翼的智能蒙皮中，或者

10、在武器平臺的蒙皮中植入傳感元件、驅(qū)動元件和微處理控制系統(tǒng)制成的智能蒙皮，可用于預(yù)警、隱身和通信。 （2）結(jié)構(gòu)監(jiān)測和壽命預(yù)測 智能結(jié)構(gòu)可用于實時測量結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)變、溫度、裂紋，探測疲勞和受損傷情況，從而能夠?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測和壽命預(yù)測。 （3）減振降噪 智能結(jié)構(gòu)用于航空、航天系統(tǒng)可以消除系統(tǒng)的有害振動，減輕對電子系統(tǒng)的干擾，提高系統(tǒng)的可靠性。 （4）環(huán)境自適應(yīng)結(jié)構(gòu) 智能結(jié)構(gòu)制成的自適應(yīng)機翼，能夠?qū)崟r感知外界環(huán)境的變化，并可以驅(qū)動機翼彎曲、扭轉(zhuǎn)，從而改變翼型和攻角，以獲得最佳氣動特性，降低機翼阻力系數(shù)，延長機翼的疲勞壽命。2、與現(xiàn)代醫(yī)學(xué)相聯(lián)系的智能材料、與現(xiàn)代醫(yī)學(xué)相聯(lián)系的智能材料 （1）人造肌肉 因為

11、生物彈性材料能模擬活體生物，而且其力量和反應(yīng)速度均接近于人體的肌肉。所以這種材料可以應(yīng)用于人體組織的修復(fù)，而且它們還具有與生物體的相容性，隨著傷口的愈合，這種聚合物就會在體內(nèi)逐漸降解，最后將會消失。 美國加州大學(xué)洛杉磯分校的研究人員所美國加州大學(xué)洛杉磯分校的研究人員所制造出的一種人造肌肉制造出的一種人造肌肉 （2）人造皮膚人造皮膚智能材料，可以感知溫度、熱流的變化以及各種應(yīng)力的大小，并且有良好的空間分辨力。這種智能材料還可以分辨表面狀況，例如，粗糙度、摩擦力等。（3）人工關(guān)節(jié)（4）人造血管3、主動震動控制 震動會極大地降低工程系統(tǒng)的性能，采用壓電材料、形狀記憶材料或電致流變體的智能結(jié)構(gòu)均可實現(xiàn)振動的主動控制，提高系統(tǒng)的性能。 在地震多發(fā)區(qū)應(yīng)用智能結(jié)構(gòu)的建筑物能通過振動控制，將大大提高建筑物的抗震性。 美國科學(xué)家最近檢驗了一種設(shè)想，即利用一種智能合金作為固定橋梁道路的纜繩，它能在地震過程中伸長，而在震后重新收緊并將橋梁道路拉回原來的位置。這樣，高架橋梁道路就有可能避免在地震中四分五裂。 利用