材料科學(xué)第六章-智能材料

第四章智能材料及其應(yīng)用智能材料(IntelligentMaterials,IM)作為一個(gè)重要的材料技術(shù)引起了國(guó)際材料科學(xué)界的廣泛重視,被視為下世紀(jì)工程技術(shù)發(fā)展的先導(dǎo)。它是繼石器材料、鋼鐵材料、合成高分子材料、人工設(shè)計(jì)材料而形成的一門(mén)新的分支學(xué)科,從此材料的發(fā)展進(jìn)入第五代材料時(shí)期。這類(lèi)新材料的特點(diǎn)是它的特性可隨環(huán)境和空間而變化。目前國(guó)際上一大批專(zhuān)家學(xué)者,包括化學(xué)家、物理學(xué)家、材料學(xué)家、生物學(xué)家、計(jì)算機(jī)學(xué)家、海洋工程、航空以及其它領(lǐng)域的專(zhuān)家對(duì)智能材料這一學(xué)科的潛力充滿(mǎn)了信心,正致力于發(fā)展這一學(xué)科。在美國(guó)、日本、英國(guó)、意大利等國(guó)家都已成立了智能材料研究機(jī)構(gòu),世界范圍的智能材料研討會(huì)也逐漸增多,第一份專(zhuān)門(mén)介紹這一學(xué)科的刊物《智能材料系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)雜志》已經(jīng)出版。我國(guó)對(duì)智能材料的研究也十分重視,1991年國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)將智能/機(jī)敏材料列入國(guó)家高技術(shù)發(fā)展計(jì)劃綱要的新概念新構(gòu)思探索課題,智能/機(jī)敏材料及其應(yīng)用直接作為國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目課題。為推進(jìn)我國(guó)智能材料的研究,國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)材料與工程科學(xué)部于1992年成立了“智能材料”集團(tuán)。目前從事智能材料研究的單位和科研人員已逐漸增多。智能材料的概念在過(guò)去的幾年里,功能“智能”、機(jī)敏”材料的概念在材料界受到了高度重視。所謂智能材料,是一種能通過(guò)系統(tǒng)協(xié)調(diào)材料內(nèi)部各種功能并對(duì)時(shí)間、地點(diǎn)和環(huán)境作出反應(yīng)而發(fā)揮功能作用的材料。換言之,智能材料系指對(duì)環(huán)境可感知且可響應(yīng)并具有自診斷、自修復(fù)功能的新材料。智能材料是將信息科學(xué)融合于材料物性和功能的一種材料新構(gòu)思,它由三個(gè)要素組成:從人類(lèi)觀點(diǎn)出發(fā)的智能;材料中固有的智能;材料的原始功能。它是受集成電路技術(shù)啟發(fā)而構(gòu)思的三維組件模式的融合型材料。它是在原子、分子水平上進(jìn)行材料控制,于不同的層次上賦予自檢測(cè)、自判斷、自結(jié)論和自指令、自執(zhí)行所設(shè)計(jì)出的新材料。這類(lèi)材料的共同特征是:響應(yīng)性。智能材料的種類(lèi)智能材料的分類(lèi)方法很多。根據(jù)材料的來(lái)源,智能材料包括金屬智能材料無(wú)機(jī)非金屬系智能材料高分子系智能材料金屬系智能材料由于其強(qiáng)度比較大、耐熱性好且耐腐蝕性能好,常用在航空、航天和原子能工業(yè)中作為結(jié)構(gòu)材料。金屬材料在使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生疲勞龜裂及蠕變變形而損傷,所以期望金屬系智能材料不但可以檢測(cè)自身的損傷,而且可將其抑制,具有自修復(fù)功能,從而確保使用過(guò)程中的穩(wěn)定性。目前研究開(kāi)發(fā)的金屬系智能材料主要有形狀記憶合金和形狀記憶復(fù)合材料兩大類(lèi)。無(wú)機(jī)非金屬系智能材料的初步智能性是考慮局部可吸收外力以防止材料整體變壞。目前此類(lèi)智能材料在電流變流體、壓電陶瓷、光致變色和電致變色材料等方面發(fā)展較快。高分子系智能材料的范圍很廣泛。作為智能材料的刺激響應(yīng)性高分子凝膠的研究和開(kāi)發(fā)非?；钴S,其次還有智能高分子膜材、智能高分子粘合劑、智能型藥物釋放體系和智能高分子基復(fù)合材料等。智能材料的應(yīng)用形狀記憶材料

直升飛機(jī)旋翼輪葉:最早引起社會(huì)興趣和工業(yè)界重視的智能材料結(jié)構(gòu)是美國(guó)人研制的具有減振效果和診斷功能的“智能材料機(jī)翼”,在飛機(jī)的機(jī)翼部件中,埋入光導(dǎo)纖維等內(nèi)應(yīng)力傳感器,這些傳感器系統(tǒng)能將飛機(jī)機(jī)翼各個(gè)部分的重力情況及時(shí)告知信息處理中心,進(jìn)而反饋信號(hào),使機(jī)翼及時(shí)平衡和抵消多余的振動(dòng).而執(zhí)行減振驅(qū)動(dòng)指令的則是形狀記憶合金及其網(wǎng)絡(luò).

智能蒙皮不僅是飛機(jī),其它飛行器如火箭、衛(wèi)星,還有潛水艇等的表皮都應(yīng)有隨外界條件變化而變化以及探測(cè)周?chē)h(huán)境的能力,具有這樣功能的表皮(蒙皮)稱(chēng)為智能(或機(jī)敏)表皮(蒙皮).未來(lái)飛機(jī)蒙皮不僅起機(jī)翼作用,由于采用智能材料系統(tǒng),它可以檢測(cè)飛行速度、溫度、濕度等各種氣象條件,并能對(duì)變化的環(huán)境做出反應(yīng),如改變機(jī)翼形狀等.另一功能是適合于當(dāng)前的電子戰(zhàn),即具有識(shí)別、人為干擾、隱蔽通訊、威脅警告和電子保障系統(tǒng).對(duì)于材料內(nèi)部的缺陷和損傷,智能表層能進(jìn)行自診斷、自修復(fù)、自適應(yīng),還能抑制噪聲和振動(dòng);對(duì)于航空航天飛行器座艙能夠自動(dòng)通風(fēng)、保暖和冷卻.智能材料在現(xiàn)代藥劑學(xué)中的應(yīng)用智能材料已成為新的學(xué)科分支,其在醫(yī)藥學(xué)、生物技術(shù)工業(yè)及環(huán)境問(wèn)題上有許多潛在的應(yīng)用,而近幾年在藥劑學(xué)上對(duì)智能聚合物的研究和開(kāi)發(fā)也十分活躍,主要出現(xiàn)了PH敏感型、溫度敏感型(熱敏感型)、葡萄糖敏感型、核糖體酶型智能聚合物。

PH敏感型智能材料PH敏感型智能材料隨著周?chē)h(huán)境PH改變而改變其性質(zhì),從而可以控制藥物在一定部位釋放,從而提高藥效。PH敏感脂質(zhì)體膜材使用含有PH敏感基團(tuán)的脂質(zhì)制備的。用于制備PH敏感脂質(zhì)體的典型磷脂是二油酰磷脂酰乙醇胺(DOPE)。純化PE與其它脂質(zhì)和蛋白混合時(shí)、可形成穩(wěn)定的脂質(zhì)體,當(dāng)PH改變時(shí),雙層脂質(zhì)體可轉(zhuǎn)變成六角相,引發(fā)脂質(zhì)體膜不穩(wěn)定、聚集、溶合、釋放內(nèi)容物。應(yīng)用不同的膜材或通過(guò)調(diào)節(jié)脂質(zhì)組成比例,可獲得不同PH敏感型的脂質(zhì)體。但目前由于脂質(zhì)體的穩(wěn)定性、包封率和靶向性等,尚未開(kāi)發(fā)出應(yīng)用于臨床的PH敏感型脂質(zhì)體。包衣材料對(duì)于口服制劑,基于藥物性質(zhì)和治療的需要,需要在人體消化道不同部位如胃、小腸、大腸和結(jié)腸處定位給藥。鑒于人體胃腸道PH不同的生理特點(diǎn),可用PH敏感性高分子薄膜包衣來(lái)達(dá)到定位給藥的目的。據(jù)報(bào)道,智能材料如聚甲基丙烯酸甲酯-co-甲基丙烯酸共聚物(PMMA-co-MAA),通過(guò)改變MMA/MAA的投料比,可以制備具有不同酸值的PMMA-co-MAA丙烯酸樹(shù)脂。酸值不同的丙烯酸樹(shù)脂PH敏感值也不同,因而可以設(shè)計(jì)制備口服制劑的不同部位定向靶向給藥系統(tǒng)的包衣材料,酸值較小的樹(shù)脂可作為結(jié)腸定位給藥的包衣材料,而酸值較大的樹(shù)脂可作為小腸給藥的包衣材料。

溫度敏感水凝膠溫度敏感水凝膠隨著溫度的微小變化其體積變化可達(dá)數(shù)倍甚至幾十倍,這一現(xiàn)象稱(chēng)為凝膠的相轉(zhuǎn)變,發(fā)生這種相轉(zhuǎn)變的溫度稱(chēng)為水凝膠的相轉(zhuǎn)變溫度。目前已報(bào)道的溫度敏感水凝膠有離子化的丙烯酸衍生物的共聚物,聚(N,N-二乙基丙烯酰胺)和聚(N-異丙基丙烯酰胺)等非離子型水凝膠。以N-異丙基丙烯酰胺(NIPPAm)類(lèi)均聚物和共聚物為例,這種智能材料有較低的臨界溶解溫度,當(dāng)溫度升高到其最低臨界溫度(LCST)以上會(huì)發(fā)生從溶脹的軟透明狀態(tài)到消脹的硬不透明狀態(tài)的變化,其體積變化在范圍內(nèi)可達(dá)幾十倍,并能快速吸收和釋放水而體現(xiàn)出開(kāi)關(guān)性能。對(duì)PIPAAm

進(jìn)行改造如末端修飾,可賦予該材料不同的智能特性。一般說(shuō)來(lái),加入親水末端可升高相轉(zhuǎn)變溫度,其原因?yàn)榫酆湘溚饔迷鰪?qiáng)而延緩了相轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。利用這些材料制成的釋藥系統(tǒng)其釋藥只與外界溫度有關(guān),而同材料本身結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān),可用于被動(dòng)、主動(dòng)靶向系統(tǒng),增加由局部溫度變化引起的定位釋放。溫度敏感型脂質(zhì)體膜材目前用于制備該類(lèi)脂質(zhì)體的膜材主要是二棕櫚酸磷脂(DPPC)二硬脂酸磷脂(DSPC)。Yatvin將兩者以不同比例混合創(chuàng)制了溫度敏感性脂質(zhì)體,使其由凝膠向液晶轉(zhuǎn)變具有不同的相轉(zhuǎn)變溫度(41～54℃),當(dāng)脂質(zhì)體達(dá)到液晶態(tài)相變溫度時(shí)其磷脂的?；溛蓙y度及活動(dòng)度增加,膜的流動(dòng)性增加,此時(shí)包封的藥物釋放速度增加,而相變溫度時(shí)則釋放減慢,因此使腫瘤或局部感染病灶升溫到41～42℃,就引起脂質(zhì)體內(nèi)容物滲漏,導(dǎo)致脂質(zhì)體迅速釋放內(nèi)容物。甲氨蝶呤溫度敏感脂質(zhì)體注入荷Lewis肺癌小鼠的尾靜脈后用微波發(fā)生器加熱腫瘤部位至42,4h后在循環(huán)系統(tǒng)中的放射活性為對(duì)照組平均值的4倍。日本有人利用局部升溫技術(shù)和包封博萊霉素的溫度敏感脂質(zhì)體治療小鼠AH-66腹水癌的淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移,取得了明顯的抑制腫瘤生長(zhǎng)和擴(kuò)散及延長(zhǎng)小鼠存活時(shí)間的效果。

葡萄糖敏感水凝膠用于胰島素釋放系統(tǒng)的葡萄敏感水凝膠,是利用這種水凝膠對(duì)葡萄糖溶液濃度變化具有收縮功能的特性來(lái)模擬健康胰島細(xì)胞的功能,即當(dāng)血中的葡萄糖濃度升高時(shí),葡萄糖敏感水凝膠可以吸收血中的葡萄糖分子,從而使糖尿病患者能夠自動(dòng)地維持正常的血糖濃度。

智能紡織品智能紡織品就是較之普通的紡織品具有更多功能的紡織品。其智能化來(lái)自于織物纖維的智能化或織物中加入的特殊成分,這些特殊成分可以是電子裝置、特殊構(gòu)造的聚合物甚至可以是著色劑。特殊成分的加入雖然使產(chǎn)品成本有所增加,但附加值增加得更大,因此針對(duì)不同要求研究開(kāi)發(fā)適合不同環(huán)境條件下的智能紡織品是十分必要的。智能纖維美國(guó)佐治亞州理工學(xué)院將塑料光纖傳感器植入襯衣,利用fabryOperot型傳感器可以探測(cè)某個(gè)部位信號(hào),研制成了具有“知覺(jué)”的“聰明的T恤”,它可以協(xié)助醫(yī)務(wù)人員探測(cè)病人心跳、體溫、血壓、呼吸等生理指標(biāo),也可由監(jiān)測(cè)人員了解和掌握運(yùn)動(dòng)員、宇航員、飛行員的身體情況,防止嬰兒在睡眠時(shí)因窒息而死亡。如士兵穿上這種T恤,一旦中彈受傷,T恤被擊穿,T恤中的光信號(hào)便不能傳至另一端,而會(huì)傳回后方的“個(gè)人狀態(tài)監(jiān)測(cè)器”,醫(yī)務(wù)人員便會(huì)據(jù)此知道傷員情況,按情況派人前往救援。

變色纖維變色纖維是一種具有特殊組成或結(jié)構(gòu)的,在受到光、熱、水分或輻射等外界刺激后可逆、自動(dòng)改變顏色的纖維。主要有光敏變色纖維和熱敏變色纖維兩種。用變色纖維做成的服裝在不同溫度、光線下呈現(xiàn)出色彩的變化。士兵穿上它在不同的地方會(huì)變成環(huán)境的顏色,不易被敵方發(fā)現(xiàn),達(dá)到隱蔽自己的目的。變色纖維還適合于制作舞臺(tái)服裝、童裝等。調(diào)溫纖維調(diào)溫纖維能根據(jù)外界環(huán)境溫度變化,伴隨纖維中所包含的室溫相變物質(zhì)發(fā)生液—固可逆相變,或從環(huán)境中吸收熱量存儲(chǔ)于纖維內(nèi)部,或放出纖維中存儲(chǔ)熱量,在纖維周?chē)纬蓽囟认鄬?duì)恒定的微氣候,從而在一定時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)。由蓄熱調(diào)溫纖維加工成的紡織品除具有常規(guī)紡織品的靜態(tài)保溫作用外,還具有由于相變物質(zhì)的吸放熱引起的動(dòng)態(tài)保溫作用。目前,該纖維主要用在滑雪衫、靴、套、襪、帽、體育運(yùn)動(dòng)服裝等各個(gè)方面。

智能抗菌纖維人體皮膚表面生長(zhǎng)有各種各樣的細(xì)菌,皮膚表面細(xì)菌過(guò)多或完全沒(méi)有細(xì)菌,都會(huì)引起各種各樣的問(wèn)題,如過(guò)敏、產(chǎn)生臭味或生病等。美國(guó)Nylstar公司制造出一種“智能聚酰胺纖維”,抗菌劑包藏于纖維內(nèi)部,而不是粘附于纖維表面,所以不必?fù)?dān)心其中的成分會(huì)引起皮膚的過(guò)敏,而且可以耐30次的洗滌,這種纖維區(qū)別于一般抗菌纖維之處在于,無(wú)論是輕微活動(dòng)還是劇烈運(yùn)動(dòng)都可以控制皮膚表面細(xì)菌的數(shù)量維持在正常水平。

用于軍事方面的智能紡織品美國(guó)馬薩諸塞州內(nèi)蒂克的美軍士兵系統(tǒng)中的研究人員正在研制一種專(zhuān)供士兵穿著的具有變色、接受電子郵件等功能的新式服裝。這種名為“天蝎高速戰(zhàn)斗服”的服裝將使用植入服裝纖維內(nèi)的微型裝置,包括可使士兵能夠接收電子郵件以及自己、敵人所在準(zhǔn)確位置等信息的一體化天線。此外,植入服裝內(nèi)的微小發(fā)光粒子能分辨現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的顏色和特征,改變自身顏色并與之混合。據(jù)稱(chēng),這種服裝將于2010年裝備部隊(duì)

有毒物質(zhì)探測(cè)織物有毒物質(zhì)探測(cè)織物是在織物中織入一些光導(dǎo)纖維傳感器,當(dāng)光學(xué)微傳感器接觸到某種氣體、電磁能、生物化學(xué)或其他有毒的介質(zhì)時(shí),被激發(fā)產(chǎn)生一種報(bào)警信號(hào),提醒暴露在有毒氣體中的穿著者,以及提高士兵在戰(zhàn)場(chǎng)上的生存能力。這些精明的服裝作為消防人員、有毒物質(zhì)工作者或其他暴露在有毒氣體場(chǎng)所中工作的工人的保護(hù)性服裝有更大的意義。智能材料在建筑中的應(yīng)用美國(guó)伊利諾伊大學(xué)的一位建筑學(xué)副教授卡羅琳·德賴(lài)，目前正在研制一種自行愈合的混凝土。他設(shè)想把大量的空心纖維放入混凝土中，當(dāng)混凝土開(kāi)裂時(shí)，事先裝有“裂紋修補(bǔ)劑”物質(zhì)的空心纖維也會(huì)裂開(kāi)，并釋放出粘結(jié)修補(bǔ)劑把裂紋牢牢地“焊”在一起，防止混凝土斷裂。這種智能材料稱(chēng)為“被動(dòng)式”智能材料。美國(guó)的另一些橋梁專(zhuān)家則在研究一種主動(dòng)式智能材料。他們?cè)O(shè)計(jì)出一個(gè)方案，即如果橋梁的某些部分出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，橋梁的另一部分就自行加固以求彌補(bǔ)。這一設(shè)想在技術(shù)上已沒(méi)有什么困難。隨著電腦技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在完