智能材料，离我们有多远

常用的感知材料。

驱动材料是智能材料中起着响应作用的结构，前面提到的形状记忆材料、压电材料、磁致伸缩材料和电流变体等传感材料也都属于执行材料。信息处理器的主要作用是处理传感器输出的信号，是智能材料核心部分。另外还有一些配合特殊性能的其他功能材料，包括导电材料、磁性材料、光纤和半导体材料等。

敏感材料与驱动材料构成机敏材料，即同时具有感知与驱动功能的材料。（如图1所示）机敏材料自身不具备信息处理和反馈机制，不具备顺应环境的自适应性。而智能材料是机敏材料和控制系统相结合的产物，集传感、控制和驱动三种职能于一身，是传感材料、驱动材料和控制材料（系统）的有机合成。（如图2所示）智能材料可通过自身对信息进行感知、处理并将指令反馈给驱动器执行和完成相应的动作，对环境作出灵敏、恰当的反应。

智能材料的独特结构，决定了其拥有不同寻常的功能和能力。

智能材料的分类及其应用

智能材料可以从不同的角度进行分类，按照材料的组成可分为金属智能材料、无机非金属系智能材料和高分子系智能材料3种类型。

金属智能材料，主要包括由力和温度控制的形状记忆合金（SMA）、由磁场控制的磁致伸缩材料，它们都是重要的执行材料。无机非金属智能材料，主要在压电陶瓷、电致伸缩陶瓷、电（磁）流变体、光致变色和电致变色材料等方面发展较快。高分子智能材料，由于是人工合成，品种多、范围广，所形成的智能材料也极其广泛，其中主要有形状记忆高分子、智能凝胶、压电高分子、药物控制释放体系、智能膜等。

下面介绍几种常见的智能材料及其应用：

1、形状记忆合金

形状记忆合金是感知温度（ 以及力） 而产生形状改变的一类智能材料。1932年，瑞典人奥兰德在金镉合金中首次观察到“记忆”效应，即合金的形状被改变之后，一旦加热到一定的跃变温度时，它又可以魔术般地变回到原来的形状，人们把具有这种特殊功能的合金称为形状记忆合金。

20世纪60年代，美国海军军械研究所的Buehler在研究中发现了钛镍（Ti- Ni）合金具有“形状记忆效应”，并以此为基础研究了形状记忆合金。利用这一特性可以制成理想驱动器，因其被加热至奥氏体温度时，可自行恢复到原形状。其通常以细丝状态用于智能结构，主要适合于低能量要求的低频和高撞击应用。

目前形状记忆材料已经形成了相对较大的一个门类，主要分为：形状记忆合金、形状记忆陶瓷、形状记忆聚合物。其中，钛镍记忆合金具有输出应变与输出功率大、综合力学性能高、可加工性好等优点。

形状记忆合金主要应用于机械工程、医疗器械、航空航天、工程建筑、交通运输以及日常生活中。日常生活中，利用记忆合金推出了不少新颖别致的商品，如眼镜架、汽车的外壳等，在现代机器人领域也常常用来制作机器人的夹持器。

2、压电材料

压电材料是一种能够实现电能与机械能相互转化的机敏材料，压电材料主要包括无机压电材料（分为压电晶体和压电陶瓷）、有机压电材料和压电复合材料3类。居里（Curie）兄弟在对石英晶体的介电现象和晶体对称性的试验研究中发现了压电效应，压电效应分为正压电效应和逆压电效应两种情况。当机械力作用在其上时，内部正负电荷中心发生相对位移而产生电的极化，就是正压电效应。

压电材料能够实现电能与机械能相互转化，具有制作简单、成本低、换能效率高等优点，因而被广泛应用于热、光、声、电子学等领域。随着压电材料制备技术的发展， 压电材料在日常生活、生物工程、军事、光电信息、能源、高铁等领域有着广泛而重要的应用。在日常生活方面，压电材料的应用相当普遍，例如，手机、电视机、录像机、自动点火煤气灶、雾化加湿器、B超、彩超、超声美容、降脂器、理疗仪等。在军事方面，压电陶瓷制成的声呐系统能在水中发声、接受声波，也可用于水下、地球物理探测，以及声波测试、夜视装置、红外探测器等方面。此外，还可以利用压电陶瓷的智能功能控制飞机、潜艇的噪声。

在生物医学领域，生物压电陶瓷主要用于实现生物仿生。例如，聚偏氟乙烯（P V D F）薄膜可用在人体和动物器官的超声成像测量中，还可用来模拟人体皮肤。在光电信息方面，压电材料主要可用于声表面滤波器、光快门、光波导调制器、光显示和光存储等，还可以用在机器人和其它智能结构中，对外界产生的信号进行处理、传输、储存。压电材料也可以适用于高频和中等行程控制，包括各种光跟踪系统、自适应光学系统、机器人微定位器、磁头或喷墨打印器和扬声器等。

半个多世纪以来，这一巨大的产业一直由一种性能优异的压电材料——被称为压电材料之王的锆钛酸铅（PZT）所统治。但是，由于PZT 含有对人体和环境有害的铅，欧盟、日本、美国、中国等世界主要国家都在近年相继立法禁止或限制使用含铅等有害材料。因此，寻找能够替代PZT 的无铅高性能压电材料已成为世界性的紧迫课题，它关系到一个国家在极大范围内的经济和产业影响力。

3、电流变液

电流变液是与磁流变体性能极为相似的混合物。这种材料在常态下是流体，其中自由分布着许多细小可极化悬浮颗粒，当这种流体处于电场或磁场中，在电场或磁场的作用下，其中的悬浮颗粒很快形成链状，从而形成具有一定屈服强度的半固体，这样的电流变体或磁流变体具有响应快、阻尼大、功耗小的特点。

近年来，电流变液组分不断改进，电流变液的电流变效应更加明显，同时与电脑结合，可实现实时控制，使得电流变技术在机械工程、汽车工程、控制工程等领域得到广泛应用。

在汽车工程方面，根据电流变技术原理，构成液-机耦合的机制，可设计出全新的汽车结构、新颖的汽车转向系统、减震装置、制动装置等。与传统机械产品相比，具有设计简化、应用简便、灵敏度高、噪声小、寿命长、成本低、易于实现电脑控制的特点，从而在汽车传动系统实现重大创新，或将进一步引发一场汽车技术革命。

在机械工程方面，电流变流体材料主要用于制作各种力学零件（如无级变速器等）、振动隔离系统（如避振减振装置等）、研究胶体系统的传热和传质现象以及开发双管热交换器和再生热交换器。在智能控制领域，电流变液可作为便于控制、连续可调的阻尼介质，广泛用于民用航空、机械工程、控制工程和机器人等领域。基于电流变体的阻尼器，通过合理控制电流的大小，调节阻尼器的阻尼特性，扩大了阻尼器的适用范围，改善了阻尼器的减震效果。

4、磁致伸缩材料

磁致伸缩材料能够在外磁场作用下伸长和缩短，实现电磁能和机械能之间的快速和高效转化。因此，它是兼有大输出力和纳米级高控制精度的重要智能材料。在航空航天高精度对地观测、太空望远镜等扫描和定位系统的纳米级高精度微位移控制、航空航天装备的高精度主动减振、潜艇高分辨声纳技术以及民用高技术等领域均有重要的应用前景。

国内外智能材料产业规模

1、国内智能材料市场情况

从智能材料发展的政策支持层面来看，《新材料产业“十二五”重点产品目录》涉及到的重点产品包括铜基形状记忆合金、铁基形状记忆合金、钛镍基形状记忆合金、金属磁致伸缩材料、稀土磁致伸缩材料、压电材料、高性能电流变材料及弹性体、形状记忆高分子聚合物、智能高分子膜等19种基础材料。

从智能材料的应用需求来看，随着4G移动通信、移动互联网、三网融合、下一代互联网的快速发展，计算机网络、游戏机、消费电子、可穿戴设备等硬件产品的更新换代和推出，以及国内电子整机产品逐渐采用片式元件设计方案，压电晶体材料的市场需求将会不断增长。

从研发智能材料的企业来看，国内上市公司主要有紫光股份、乐普医疗、有研硅股、晨晶电子、无锡惠丰、先锋新材、安泰科技、时代新材、冠昊生物等，部分公司的智能材料产品已进入实质性产业化阶段，并已盈利。

从不同类型的智能材料的应用前景来看，压电材料几乎占总市场的50%，涉及压电材料的企业众多，现已形成市场规模为每年近百亿美元的巨大产业；磁致伸缩材料主要应用于电子行业；铬电镀材料主要用于汽车和建筑行业；而形状记忆合金主要应用在医疗市场；电致伸缩材料目前还处于成本较高、应用前景不明的阶段，市场前景不容乐观。

2、全球智能材料市场情况

从智能材料的市场规模来看，有资料显示，2010年全球智能材料市场规模在196亿美元，2011年近220亿美元，2016年将超过400亿美元，2011～2016年智能材料市场规模年复合增长率达到12.8%。（如图3所示）根据地域来看，美国处于领导地位，并且这种优势还可以保持相当长的时间。亚太地区在智能材料的生产方面保持稳定增长，特别是在生产压电/电致伸缩材料上居于统治地位。

从不同类型的智能材料的应用来看，智能材料的应用范围较为广泛，在医疗、建筑、仪表仪器、自动化、机器人、航空航天、电磁电子设备、各类传感器、驱动器和显示器等领域都有应用。智能材料应用领域占比最大的部分为制动器和发动机，2010年的销售收入接近108亿美元，占比55%，到2016年将增至254亿美元，占比接近64%，2011～2016年的年复合增长率达到15.4%。传感器是智能材料的第二大应用领域，2011年的销售收入接近70亿美元，然而智能材料在传感器中应用的增长率较低，2016年起销售收入在94亿美元，传感器销售收入占全部销售收入的比例将降至23.4%，年复合增长率仅为6%（如图4所示）。

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