1、智 能 高 分 子 材 料 及 其 应 用智 能 高 分 子 材 料材料是现代科技赖以生存、发展的基础。每项重大技术的出现都有赖于新材料的发展。材料发展的总趋势可以概括为高性能化、高功能化、复合化、精细化与智能化。随着科学技术尤其是高新技术的飞速发展，智能材料悄然崛起，并创造出惊人的奇迹。“智能材料”这一概念是由日本的高木俊宜教授于1989年提出来的【2】。所谓智能材料，就是具有自我感知能力，集累积传感、驱动和控制功能于一体的材料，也是具有感知功能即识别功能、信息处理功能以及执行功能的材料，具备感知、反馈、响应三大基本要素。它不但可以判断环境，而且可以顺应环境，通过感知周围环境的变化，适时做出
2、相应措施，达到自适应的目的。智能材料可用图1作出描述。迄今为止，人们已开发出许多种智能高分子材料。图 1 智能材料示意图智能高分子材料的分类1.光致变色高分子材料光致变色高分子材料是近年来备受关注的新型功能高分子材料之一，其研究始于20世纪初。光致变色高分子是将功能性染料引入到高分子的侧链或主链中，或与高分子化合物共混，开发出来的一系列具有光致变色特性的新型高分子材料。光致变色高分子的应用开发尚处在起步阶段，但其应用前景是十分诱人的。例如，它可作为窗玻璃或窗帘的涂层，从而调节室内光线；可作为护目镜，从而防止阳光、激光以及电焊闪光等的伤害；在军事上，可作为伪装隐蔽色或密写信息材料；还可作为高密度
3、信息存储的可逆存储介质等等。光致变色高分子的种类很多，包括光致变色螺吡喃聚合物、螺嗪聚合物、二芳基乙烯光致变色聚合物、偶氮苯类光致变色聚合物、苯氧基萘并萘醌光致变色聚合物、俘精酰亚胺光致变色共聚物、硫靛光致变色共聚物、双硫腙光致变色聚合物以及二氢吲嗪光致变色聚合物等。光致变色材料已在信息产业、服装业、塑料制品业、装饰材料业、旅游用品、油漆、油墨、印染业、军事隐蔽材料业等方面获得广泛的应用。目前，它在光致变色安全玻璃、透明薄膜、光致变色纺织品、光致变色涂料方面也已得到应用。2 .形状记忆高分子聚合物SMP形状记忆高分子聚合物是日本十年前率先开发出来的，属于弹性记忆材料。形状记忆高分子是一种新型的
4、功能高分子材料，应用范围极为广泛。这类材料，当其温度达到相变温度时，便从玻璃态转变为橡胶态，此刻材料的弹性模量发生大幅度变化，并伴随产生很大变形。即随着温度的增加，材料变得很柔软，加工变形很容易；反之，温度下降时，材料逐渐硬化，变成持续可塑的新形状。在一定的条件下发生形变后，SMP还可再次成型得到二次形状，通过加热等外部刺激手段的处理又可使其发生形状回复，从而“记忆”初始形状。 通常认为，这类形状记忆聚合物可看作是两相结构，即由在形状记忆过程中保持固定形状的固定相(或硬链段)和随温度变化，能可逆的固化和软化的可逆相(或软链段)组成。这类聚合物的形状记忆机理可解释为：当温度上升到软链段的熔点或高
5、弹态时，软链段的微观布朗运动加剧，易产生形变，但硬链段仍处于玻璃态或结晶态，阻止分子链滑移，抵抗形变，施以外力使其定形；当温度降低到软链段玻璃态时，其形变被冻结固定下来，提高温度，可以回复至其原始形状。也可以认为，形状记忆高分子就是在聚合物软链段熔化点温度上表现为高弹态，人为地在高弹态变化过程中引入温度下降或上升等因素，高分子材料则发生从高弹态到玻璃态之间转化的过程。3.聚合物基压电材料有机压电材料，又称压电聚合物，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
6、之作为有源发射换能器受到很大的限制。复合压电材料，是在有机聚合物基体材料中嵌入纤维状、片状、棒状或粉末状无机压电材料构成的。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。压电高聚物的发展已有三四十年的历史，但至今科技工作者对其压电性的成因及其性能的研究仍处于探索阶段。聚合物基压电材料通常为非导电性高分子材料，从原理上讲它们不包含有可移动电子电荷。然而，在某些特定条件下，带负电荷的引力中心可以被改变。不导电特性可以用两个重要的物理特性来描述：一个是介电常数，它描述了在电场中的极化性，而另一个参数是自发极化强度矢量，
7、它在无电场时存在。4.智能高分子凝胶智能高分子凝胶是其结构、物理性质、化学性质可以随外界环境改变而变化的凝胶。当受到环境刺激时这种凝胶就会随之响应，发生突变，呈现相转变行为。这种响应体现了凝胶的智能性。根据所受的刺激信号不同，可以将高分子凝胶分为不同的类型。它主要有pH性凝胶，化学物质影响性凝胶。温敏性凝胶，光敏性凝胶，磁场响应性凝胶。影响内部刺激性凝胶。5.智能高分子膜材高分子膜材料具有物质渗透和分离功能，现正以生体膜为模型研究开发刺激响应性多肽膜，利用可逆的构象及分子聚集体变化，制成稳定性优异的膜材。它对物质的渗透作用可随钙离子浓度、pH值及电场刺激而变化。目前研究主要集中于增大响应感度和
8、改善其通一断控制等。它主要有超分膜、分离膜、控制释放膜、诊断用人工细胞膜和仿生治疗系统。Lee等通过紫外辐照等离子聚合方法分别将丙烯酸、甲基丙烯酸和N一异丙基丙烯酰胺(NIP)接枝于商品聚酰胺孔膜的表面，制备了pH和温度刺激响应性膜材。以此研究来控制释放膜材。Russell等把4臂聚乙二醇的端羟基醋酸亚月桂基衍生物在紫(300nm)辐照下聚合，通过相邻亚月桂基的交联形成高交联度网络，以此研究分离Charych等利用二乙炔基两性分子通过紫外交联合成了聚二乙炔聚合物，并以此研究仿生治疗系统。6.智能高分子粘合剂高分子材料与金属和无机非金属材料不同，属于柔性材料。微相分离的高分子材料的表面层的大分子
9、链段可随环境变化而重排、改组。利用这种界面的刺激响应性，姚康德等设计了智能高分子粘合剂，它可用来粘合极性和非极性的基材。这是由于粘极性材料时它表面层的极性部分响应，而粘非极性材料时它表面层的非极性部分响应的缘故。他们以聚氨酯交联聚丙烯酸酯(HUCrPA)网络为模型粘合剂研究了其溶胀的pH敏感性。pH值6时，网络开始溶胀，且随着PA中一C00H基成盐，溶胀程度增加；而pH值增加到11以上，则可使酯基皂化，溶胀程度迅速提高。研究中观察到网络聚合物随介质pH值(pH值=5和pH值=11)交变，溶胀和退溶胀反复进行，说明材料反复感知、反复响应刺激。进一步研究表明：聚合物网络对环境变化具有组分响应性，对
10、极性和非极性基材的粘合强度与此聚合物网络的表面环境变化响应性相关。智能材料的结构原理1.智能材料结构中的驱动元件在智能结构的动作流程中，首先需识别外界参数，通过分析、判断，然后行动。其中行动是依靠埋人材料中的驱动元件来实现，它能够自适应地改变结构形状、应力状态固有频率等。一般要求驱动元件能和结构基体很好结合，具有较高的结合强度；其本身的静强度和疲劳强度要高；且激励驱动元件动作的方法要简单和安全，对结构基体材料无影响，激励的能量要小；激励后的变形量要大，并能伴随着产生激励力，而且能够控制；驱动元件在反复激励下，保持性能稳定；其频率响应要宽，响应速度要快，并能控制。2.智能材料结构中的传感元件智能
11、材料结构的重要功能是感觉，它利用埋人材料中的传感元件来感受各种信息，经过处理分析，然后指示和控制驱动元件工作。一般要求传感器尺寸要小，而且薄，不影响材料的外形；和原结构材料能很好耦合，对原结构材料强度的影响较小；性能稳定可靠；传感的覆盖面要宽；频率响应要宽；能和结构上其它电气设备兼容；受外界干扰要小；能在结构的使用温度及湿度范围内正常工作。3.智能材料结构中的信息处理及执行方法实现智能材料结构智能化的关键是对多输人多输出信息的处理。信息处理使得结构具有演绎能力、归纳能力和决策能力。现代模式识别方法很适合作为多输人多输出信息处理的手段。模式识别方法可以分为统计决策法、非数值特征值法、模糊判决法、
12、逻辑推理法和人工神经网络法。前两类方法发展得比较成熟，是模式识别的基础技术；模糊判断法与前两种方法结合后，大大改善分类的效果。随着专家系统的广泛应用，逻辑推理法也得到重视和应用；人工神经网络更是大大拓宽了模式识别方法。智能材料的应用展望及趋势智能材料已成为当今世界高度关注的热点和焦点。自从20世纪90年代以来各种有关智能材料的学术团体、研究机构相继成立有关智能材料的国际研讨会儿乎年年举行。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；日本把它列入基础科学先导研究的7项重大项目之；并从1998年开始，将它作为大学合作型产业科学技术研究开发项目和国家2l世纪创新产业的加强支持项目；欧洲
13、亦提出并正在加紧实施智能复合材料结构研究计划。我国也将智能材料列入“九五”、“十五”及中长期发展规划。目前，国际七的研究重点已集中在智能材料的仿生构思和工程结构件的智能化两大方面，预计，今后智能材料领域的研究主要集中在以下几个方面。智能结构集成的数学基础包括结构集成传感器、执行器和控制器后的特殊数学力学问题特别是非线性问题；主动传感器，适合于智能结构的应变、振动、损伤腐蚀及温度等传感器的原理方法与技术，特别是分布式传感器及多传感器复合；主动执行器，由形状记忆材料、压电材料、智能高分子材料、光导纤维、电(磁)流变体等制成的执钉器；信息处理、通讯和控制，适用于智能材料系统与结构、仿生的智能控制、模糊控制及神经网络控制的自适应控制的理论及方法；智能材料自身特性投智商评价体系的研究。我们相信，21世纪智能材料将引导材料科学的发展方向，其应用和发展将使人类物质文明进入更高的阶段。
