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1、智能材料研究进展摘 要智能材料是一门多门类、多学科交叉的科学，与物理学、材料力学、电子学、化学、仿生学、生命科学、控制理论、人工智能、信息技术、生物技术、计算机技术、材料合成与加工等诸多的前沿科学及高新技术戚戚相关、紧紧相连。因此，它一旦有所突破，便会导致众多学科的理论创新和许多领域的技术变革，大大地推动国家科学技术的进步和综合实力的提高。智能材料具有十分重要的现实用途和极为广阔的应用前景。从高精尖的宇宙探索，到普通人的日常生活，智能材料都起着重要的作用。未来社会发展的趋势是智能化。智能化的首要问题是大力发展智能材料，智能材料的研究是材料科学研究的重要方向。智能材料的本质特征是材料具有仿生功能
2、，即材料能根据感受到的信息而自动判断、控制和调整以适应外界条件变化。本文介绍了智能材料的概念、定义及智能材料的特征,阐述和评价了智能材料形状记忆合金、电流变体材料、光致变色材料、电致变色材料、形状记忆复合材料和智能型药物释放体系等的种类、组成、特点、用途、研究现状与市场前景。重点论述了压电陶瓷材料的制造工艺、特点、性质、研究现状及市场前景等。论述了发展智能材料的战略意义，展望了它的发展前景。关键词：智能材料，研究，应用，发展DEVELOPMENT PROGRESS OF SMART MATERIALS ABSTRACTSmart materials is more than one categ
3、ories, interdisciplinary science, and physics, mechanics, electronics, chemistry, bionics, life sciences, control theory, artificial intelligence, information technology, biotechnology, computer technology, materials synthesis and processing and many other leading edge science and very much related
4、to high-tech, tightly linked. Therefore, once it has been a breakthrough, it will lead to many disciplines in many areas of theoretical innovation and technological change; greatly promote national scientific and technological progress and the improvement of overall strength. Smart materials is of g
5、reat practical use and very broad application prospects. Explore the universe from the sophisticated to the daily lives of ordinary people, smart materials play an important role.The trends of coming society are intellectualization. The essential issue of intellectualization is to develop intelligen
6、t materials vigorously. The study of intelligent materials is a crucial direction of material science.The main characteristic of intelligent materials is bionics functions. That is, it can judge, control and adjust it automatically to adapt the change of the external environment according to accepti
7、ng information.In this paper, the concept of smart materials, definitions, describes the characteristics of smart materials, intelligent materials described and evaluated - shape memory alloys, electrorheological materials, photochromic materials, electrochromic materials, shape memory composites an
8、d smart based drug delivery system, and the type, composition, characteristics, uses, current situation and market prospects. Focuses on the manufacturing process of piezoelectric ceramic materials, characteristics, nature, current situation and market prospects. Discusses the strategic significance
9、 of the development of intelligent materials and look forward to its future development.KEY WORDS：smart materials, research, application, development目 录前 言1第一章 绪 论31.1 智能材料内涵31.2 智能材料的定义41.3 国内外发展情况51.4 智能材料的分类6第二章 智能材料发展现状及应用前景72.1 金属系智能材料72.1 形状记忆合金72.2 无机非金属系智能材料92.2.1 电流变体材料92.2.2 光致变色材料112.2.3
10、电致变色材料122.3高分子系智能材料142.3.1 形状记忆复合材料142.3.2 智能型药物释放体系15第三章 压电陶瓷183.1 压电陶瓷的制造工艺183.2 压电陶瓷的特性203.3 压电陶瓷材料研究现状213.3.1 一元系压电陶瓷213.3.2 二元系压电陶瓷223.3.3 三元系及多元系压电陶瓷233.4 压电陶瓷的应用233.5 压电陶瓷的发展趋势263.5.1 压电复合材料263.5.2 压电薄膜263.5.3 无铅压电陶瓷273.5.4 纳米压电陶瓷27第四章 压电陶瓷的压电效应294.1 压电陶瓷的压电效应294.2 压电陶瓷正压电效应验证试验294.3 压电陶瓷逆压电效
11、应30结 论31参考文献33致 谢35前 言随着高新技术的不断发展，作为现代科技三大支柱之一的新材料技术业已成为世界各国学者们争相探索和研究的热点领域。材料技术是不同工程领域的共性关键技术。事实上，当代每一项重大新技术的出现，几乎都有赖于新材料的发展。智能材料具有十分重要的现实用途和极为广阔的应用前景。从高精尖的宇宙探索，到普通人的日常生活，智能材料都起着重要的作用。例如：在各种关键装备设施和大型重要工程中，智能材料能够在线、动态、及时、主动地“感知”自身的受力、受冲击、振动、温度、裂纹等情况，以及受损伤的程度等，并可通过预警、自适应调整、自修复补救等方式，预报以至消除危害，从而极大地提高工程
12、结构的安全性和可行性，避免灾难性事故的发生。反过来，这一切“病兆”的预报与事故的避免，又将导致现行结构安全监控概念的根本变化，并引起一场关于工程构造设计思想的深刻革命。目前智能材料正在形成新材料领域的一门新的分支学科，国际上一大批专家学者，包括化学家、物理学家、材料学家、生物学家、计算机专家、海洋工程专家、航空以及其他领域的专家对智能材料这一学科的潜力充满了信心，正致力于发展这一学科。1992年2月，英国斯特拉克莱德大学成立了机敏结构材料研究所。在此之前，美国弗吉尼亚理工学院和弗吉尼亚州立大学成立了智能材料研究中心，密执安州立大学成立了智能材料和结构实验室。日本的部分高校和研究单位的各学科的教
13、授和研究人员都在研究各自感兴趣的仿生智能材料。世界范围的智能材料研讨会也开始增多。1992年1月，在苏格兰召开了第一届欧洲机敏材料和结构讨论会。1992年3月，日本科技厅主办了第一届国际智能材料研讨会。第一份专门介绍这一学科的刊物 智能材料系统和结构杂志已经出版。我国对智能材料的研究也十分重视。1991年国家自然基金会将智能材料列入国家高技术研究发展计划纲要的新概念、新构思探索课题，智能材料及其应用直接作为国家高技术研究发展计划（863计划）项目课题。为推进我国智能材料的研究，国家自然科学基金委员会材料与工程科学部于1992年成立了“智能材料”集团。在我国，智能材料的研究虽然取得一些令人瞩目的
14、成果，但是相对于美国、日本等发达国家，我国的智能材料研究整体水平不高，技术手段还相当落后，跟踪研究多，源头创新少。因此，我国大力发展研究智能材料已迫在眉睫。本文综述了目前国内外智能材料中金属系智能材料，无机非金属系智能材料和高分子系智能材料的发展、特点、研究现状及其应用前景。重点探讨了无机非金属系智能材料中压电陶瓷材料的发展、特点、现状及应用前景，根据压电陶瓷的逆压电效应提出了电折系数概念，并分析了其在压电陶瓷的压电效应领域研究中的应用。第一章 绪 论1.1 智能材料内涵80年代中期，航空航天领域的需求驱动了智能材料的研究与发展。1988年4月28日，波音737客机在美国出现灾难性断裂事故，使
15、美国国会意识到，为避免服役中的飞机发生类似事故，飞机应有自我诊断和及时预报系统，并通过议案，要求3年内完成智能飞机的概念设计。近年来，高速、重载飞行器的发展要求以及大型工程机构的安全和质量问题引起了各国政府、工程技术界的广泛关注。概括起来，关注的主要领域有：飞行器机翼的疲劳断裂监测及形状自适应控制，湍流控制的只能蒙皮，大型柔性空间机构的阻尼振动控制，机构健康监测，土建施工中的质量检测，火警探测及控制，管道系统的腐蚀和冲蚀探测，高寂静产品的噪声控制，空气质量、温度控制及减振降噪，能量的最佳利用，在用系统性能的评估和残留寿命的预测，机器人的人工四肢等1。近年来迅速发展起来的生物医用材料及生物工程也
16、涉及到诸多材料的智能化，如：自动服药系统及药物的可控释放；生物医用材料的活性及其与人体环境之间的相容性等。智能材料来源于仿生学，从仿生学的观点出发，智能材料内部应具有或部分具有以下生物功能。1、 有反馈功能，能通过传感神经网络，对系统的输入和输出信息进行比较，并将结果提供给控制系统，从而获得理想的功能2。2、 有信息积累和识别功能，能积累信息，能识别和区分传感网络得到的各种信息，并进行分析和解释。3、 有学习能力和预见性功能，能通过对过去经验的收集，对外部刺激做出适当反映，并可预见未来并采取适当的行动3。4、 有相应性功能，能根据环境变化适时地动态调节自身并作出反应。5、 有自修复功能，能通过
17、自生长或原位复合等再生机制，来修补某些局部破损4。6、 有自诊断功能，能对现在情况和过去情况作比较，从而能对诸如故障及判断失误等问题进行自诊断和校正。7、 有自动动态平衡及自适应功能，能根据动态的外部环境条件不断自动调整自身的内部结构，从而改变自己的行为，以一种优化的方式对环境变化作出响应5。图1-1是智能材料示意图。识别分析判断行动图1-1 智能材料示意图1.2 智能材料的定义智能材料问世于80年代末，关于其定义至今尚无统一的定论。不过，对以下提法，学者们似乎不持异议。智能材料是一种能从自身的表层或内部获取关于环境条件及其变化的信息，随后进行判断、处理和作出反应，以改变自身的结构与功能，并使
18、之很好地与外界相协调的具有自适应性的材料系统。或者说,智能材料是指在材料系统或结构中，可将传感、控制和驱动三种职能集于一身，通过自身对信息的感知、采集、转换、传输和处理,发出指令，并执行和完成相应的动作，从而赋予材料系统或结构健康自诊断、工况自检测、过程自监控、偏差自校正、损伤自修复与环境自适应等智能功能和生物特征，以达到增强结构安全、减轻构件重量、降低能量消耗和提高整体性能之目的的一种材料系统与结构6。智能材料的基础是功能材料。功能材料通常可分为两大类，一类称为敏感材料或感知材料，是对来自外界或内部的各种信息，如负载、应力、应变、振动、热、光、电、磁、化学和核辐射等信号之强度及变化具有感知能
19、力的材料，可用来制造各种传感器；另一类称为驱动材料，是在外界环境或内部状态发生变化时，能对之作出适当的反应并产生相应的动作的材料，可用来制成各种执行器（驱动器）或激励器。兼具敏感材料与驱动材料之特征，即同时具有感知与驱动功能的材料，称为机敏材料。机敏材料对于来自外界和内部的各种信息，并不具有处理功能和反馈机制,不能顺应环境条件的变化及时调整自身的状态、结构和功能。而智能材料正好弥补了其不足7。简言之，智能材料是特殊的、或者说具有智能功能的功能材料。智能材料通常不是一种单一的材料，而是一个材料系统；或者确切地说，是一个由多种材料组元通过有机的紧密复合或严格的科学组装而构成的材料系统。可以说，智能
20、材料是机敏材料与控制系统相结合的产物；或者说是敏感材料、驱动材料和控制材料（系统）的有机合成。就本质而言，智能材料就是一种智能机构，它是由传感器、执行器和控制器三部分组成8。1.3 国内外发展情况我国自上世纪九十年代起，也开展了多项智能材料与结构的研究。航天工业总公司也将智能材料列入九五及中长期发展规划。南京航空航天大学在陶宝棋教授的带领下于1991年最先成立了智能材料与结构航空科技重点实验室。是国内第一个专门从事智能材料与结构研究的部级重点实验室。国内其他高校和研究所，如哈尔滨工业大学、清华大学、武汉理工大学等也都开展了该方面的研究工作，并取得了显著的成果9。而且，国家自然科学基金、航空基金
21、等从1993年起每年都将智能材料结构列入研究计划项目。国内已有一批专家学者在这方面的研究达到国际先进水平。1991年国家自然科学基金会将智能、灵巧材料列入国家高技术研究发展计划纲要的新概念、新构思探索课题，智能、灵巧材料及其应用直接作为国家高技术研究发展计划(863计划)项目课题10。自从近年来，美国主要在军事、宇航、汽车、建筑、机床、船舶以及医学等领域，就智能材料结构用于振动和噪声的主动控制、气动弹性设计、阻尼特性、形状及应力分布等方面进行了研究。日本在建筑物的减振和防震、发动机和空调器的降噪以及自适应结构研究等方面取得了较大的进展。欧洲国家则从民用和军事目标上全面展开智能材料结构的研究，近
22、年来正在实施全传感技术智能材料结构研究计划。1.4 智能材料的分类智能材料是最近几年才出现的新型功能材料，它的研究呈开放和发散性，涉及的学科包括化学、物理学、材料学、计算机、海洋工程和航空等领域学科，其应用范围十分广阔11。智能材料是继天然材料、人造材料、精细材料之后的第四代功能材料。因为现在可用于智能材料的材料种类不断扩大，所以智能材料的分类也只能是粗浅的，分类方法也有多种，一般若按功能来分可以分为光导纤维、形状记忆合金、压电、电流变体和电（磁）致伸缩材料等。若按来源来分，智能材料可以分为金属系智能材料、无机非金属系智能材料和高分子系智能材料。目前研究开发的金属系智能材料主要有形状记忆合金；
23、无机非金属系智能材料在电流变体、压电陶瓷、光致变色和电致变色材料等方面发展较快；高分子系智能材料的范围很广泛，包括形状记忆复合材料、智能高分子粘合剂、智能型药物释放体系和智能高分子基复合材料等12。它们正日益受到各方面的关注，从其结构的构思、智能结构的新制法到新型智能材料的研究和开发都十分活跃。本文按着智能材料的来源来分类概括各类智能材料的发展现状，分析其特点，展望其应用前景。第二章 智能材料发展现状及应用前景2.1 金属系智能材料目前国内外开发的金属系智能材料主要有形状记忆合金。2.1.1 形状记忆合金20世纪60年代初，美国马里兰州海军军械研究所的科学家比勒，用镍钛合金丝做实验。这些合金丝
24、弯弯曲曲，为了使用方便，他把这些合金丝弄直了。但是，当他无意中把合金丝靠近火的时候，奇迹发生了：已经弄直的合金丝居然完全恢复了它们原来弯弯曲曲的形状。形状记忆合金是利用应力和温度诱发相变的机理来实现形状记忆功能的一类材料。其特点是：将已在高温下定型的形状记忆合金，置于低温或常温下使其产生塑性变形，当环境温度升高到临界温度（相变温度)时，合金变形消失并可恢复到定型时的原始状态。在此恢复过程中，合金能产生与温度呈函数关系的位移或力，或者二者兼备。合金的这种升温后变形消失、形状复原的现象称为形状记忆效应(SME) 。图2-1是航天飞机运载的形状记忆合金材料制成的空间站抛物面天线。图2-1 形状记忆合
25、金材料制成的空间站通信天线形状记忆合金是集“感知”与“驱动”于一体的功能材料。若将其复合于其它材料中，便可构成在工业、科技、国防等领域中拥有巨大应用潜力的智能材料。国外学者普遍认为，形状记忆合金可感知复合材料构件中裂纹的产生与扩展，并可主动地控制构件的振动，抑制裂纹的延伸与扩张，同时还可自动改变结构的外形等。基于这些原因，有人建议将形状记忆合金、压电聚合物等功能材料制成传感器和驱动器，置于先进的复合材料中，以便实现对材料性能、结构振动与噪音吸收等的主动控制，或对材料的损伤进行自愈合。事实上，国内外已有不少学者正在进行这方面的工作。如北京航空航天大学就曾将TiNi合金带复合于易产生裂纹或损伤的金
26、属构件内，并使之与微机监控系统结合，制成了具有探测和控制裂纹扩展功能的TiNi合金智能复合构件，效果较好。80年代初，经历了将近20年的时间，科学工作者们终于突破了TiNi合金研究中的难点，从那以后，形状记忆合金成了许多国家的热门学科，多次出现形状记忆合金学术会议的与会者爆满，甚至不得不临时变更会场，在形状记忆合金研究方面所发表的论文数很快跃居马氏体相变研究领域之最。不仅如此，形状记忆合金在工业界也受到了极大的重视。形状记忆合金在应用开发中申请的专利已逾几万件，在市场上付诸实际应用的例子已有几百种，应用所涉及的领域极其广泛，包括电子、机械、宇航、运输、建筑、化学、医疗、能源、家电以及日常生活用
27、品等，几乎涉及产业界的所有领域。形状记忆合金的应用十分广泛，而且在某些领域已达到了实用化的程度，但在多数领域仍有待进一步完善。形状记忆合金在智能材料与机构中，主要用作驱动器（执行器）。这种驱动器具有不少优点：其一，由于形状记忆合金集“感知”与“驱动”于一体，所以便于实现小型化；其二，元件动作不受温度以外的环境条件的影响，故可用于某些特殊场合；其三，可产生较大的形变量和驱动力。形状记忆合金的应用主要在以下6个方面：（1）机械器具：如潜艇用油压管、水管及其它各种管件接头、机器人用微型调节器、热敏阀门、机器人手、脚、工业内窥镜、可变路标等。（2）汽车部件：如汽车发动机防热风扇离合器、汽车排气自动调节
28、喷管、柴油机卡车散热器孔自动开关、汽车易损件如外壳和前后缓冲器等。（3）能源开发：如固体发动机、太阳能电池帆板、温室窗户自动调节弹簧、住宅暖房用温水送水管阀门、汲地下油的机器、喷气发动机内窥镜等。（4）电子仪器：如温度自动调节器、光纤通讯用纤维连接器、空调风向自动调节器、咖啡牛奶沸腾感知器、双金属代用开头等。（5）医疗器械：如人工肾脏泵、人工心脏活动门、人工关节、人工骨、避孕器具、脊椎矫正棒、脑动脉瘤手术用固定器、牙科矫形丝、医用内窥镜等。（6）空间技术:如卫星仪器舱门自动启闭器、人造卫星天线，即“智能天线”等。形状记忆合金的应用与市场前景十分喜人。例如从 70 年代开始，美国将形状记忆合金用
29、于制造战斗机油压管接头，150万件无一例事故，因此美国军界规定今后的新型飞机油压管接头一律采用形状记忆合金，并在潜艇和舰艇中推广。俄罗斯、日本、德国也在积极推广应用。1981年开始实现形状记忆合金商品化，仅俄罗斯一个铝合金研究院每年就生产形状记忆合金40吨；而美国则每月生产40吨，而且用量仍在迅速增加；日本形状记忆合金的销售市场，从1989年到1993年的四年中，扩大了20倍，每月销售额达20亿日元。中国是一个发展中的大国，绝大多数的人民的收入不是很高，支配不起以形状记忆合金为原料的产品，因此难以把以形状记忆合金为原料的产品普及到普通老百姓的生活当中。目前若要普及以形状记忆合金为原料的产品，就
30、必须要使形状记忆合金的成本降低，这样才能使其极大地融入到普通百姓的生活中，为人们的生产生活服务。关于记忆合金的原理现在还不十分清楚。一般认为，记忆合金由复杂的菱形晶体结构转变成简单的立方晶体结构时，就会发生形状恢复的记忆。而当记忆合金恢复原形时伴随产生极大的力，镍钛诺合金高达 60公斤平方毫米，远比最初变形时加的力大。一般说来，可达原变形的十倍，这就意味着输出的能量比输入的能量大得多。科学家对此也无法解释。综上所述，寻找功能类似于形状记忆合金却资源丰富的材料或者合成此种功能的材料代替价格昂贵的形状记忆合金才是当前的研究重点。继续探索形状记忆合金的原理，利用好形状记忆合金形状恢复时发出巨大能量也
31、是当前研究的重中之重。2.2 无机非金属系智能材料目前，无机非金属系智能材料在电流变体材料、压电陶瓷、光致变色和电致变色材料等方面发展较快。压电陶瓷材料将在下一章中重点探讨。2.2.1 电流变体材料电流变体（Electrorheological Eluids，简称ERF）也叫电场致流变体。这类胶态悬浮液在外加电场的作用下，内部会出现一种沿电场方向的纤维状结构，该结构大大地增加了流体的粘度，通常可高达105Pas，故在几毫秒的时间内悬浮液可由液体变为固体，这种现象被称为电流变现象，亦称“winslow效应”，最早由Winslow在1949年进行了详细的报道。Winslow在液体（连续相）中加入定
32、量的固体颗粒（不连续相或分散相），制成了电流变体。实验表明：在外加电场的作用下，电流变体由没加电场的液体状态变为粘胶状固体状态；而一旦撤去外加电场，电流变体又迅速变为液体状态。这一可逆效应的发现，使人们发现了一种用于材料状态控制的新型功能材料。自从Winslow在四十年代末期发现了电流变体，世界上已有许多公司、科研机构在致力于这方面的研究，主要用于汽车离合器、液压阀门、减振器、机器人等领域13。在理论上，电流变体大规模应用在工业上应该有潜力，但是由于种种原因，目前还没有一项产品实现商品化。阻碍电流变体工程应用的主要因素有：对电流变体的作用机理至今尚了解不透彻，电流变体的屈服应力太低，磨耗性能达
33、不到要求，形成电流变效应的电场强度过高，长期使用时粒子易沉降且电流变效应不稳定等。要使电流变体在工业上得以应用，还需要加强以下几个方面的工作：（1）进一步研究电流变体的作用机理，对电流变现象有关的物理、化学概念作彻底了解，弄清有关材料的性质与电流变现象的关系以及影响电流变现象的因素，然后根据相关的联系进行材料的设计；（2）寻找更好的粒子材料，特别是加强无机有机复合粒子的研究，使电流变体的屈服应力从现在的15KPa/2.5KV提高到1015KPa/2.5KV以上；（3）电流变添加剂有必要进行深入的研究，以改善电流变体的稳定性并提高屈服应力，这方面的研究是电流变体实用化的关键，值得充分重视；（4）
34、单相均一电流变体有望彻底解决体系的沉降稳定性问题，需要进行更多的研究工作。我国目前在电流变体材料方面的研究已经取得了一定的成绩，但由于起步晚，投入少，故要取得突破性进展尚待时日，不过，随着我国在此方面的重视程度和研究力度的加大，必将会促进电流变体材料的基础理论和实际应用的迅速发展。自从电流变体和电流变现象首次报道以来，关于电流变体的研究和探索工作就一直受到人们的普遍关注，并取得了一系列研究成果。但电流变体材料研究目前均处于试验室阶段，主要的原因是材料的稳定性得不到有效的解决，还不能达到工程应用的要求。因此，将物理化学性质稳定的材料加入到电流变体材料中，以此来提高电流变体材料的稳定性是当前电流变
35、体材料研究的重点。解决此瓶颈后，那么电流变体材料在工业生产、日常生活中将会日益普及，为人类的生活带来更大方便。2.2.2 光致变色材料光致变色（photochroIIlism）现象是指一个化合物（A）在受到一定波长的光辐照下，可进行特定的化学反应，获得产物（B），由于结构的改变导致其吸收光谱发生明显的变化（发生颜色变化）。而在另一波长的光照射或热的作用下，又能恢复到原来的形式。这种在光的作用下能发生可逆颜色变化的化合物，称为光致变色化合物。光致变色化合物及其聚合物是一种新型功能材料，可广泛应用于光信息存储、光转换器件和光开关等前沿领域。作为信息存储材料，光致变色化合物具有分辨率高和存储量大的特
36、点。光致变色材料一般要求以膜、纤维、片状以及珠子等方式应用，这意味着聚合物光致变色材料比单体光致变色材料更适于实际使用。所以光致变色聚合物比小分子光致变色化合物在器件制造上更具优势。如果设计合理，光致变色聚合物可以比单体配对物有更高的光致变色有效浓度，同时又避免单体容易形成的结晶、相分离或浓度梯度的形成等缺点。因此，科学家们在设计合成优良性能有机小分子光致变色材料的同时，试图开发难度更大而性能优良的光致变色聚合物材料，使得光致变色聚合物的研究成为光功能性高聚物研究的一个前沿领域。有机小分子光致变色材料的研究已成为热点，而高分子光致变色材料的研究也已引起科学家的关注，并取得了一些成果。上述讨论的
37、光致变色聚合物的优点表现在：聚合物大大增加了呈色体的稳定性，降低了开环体消色速率，显示出比单体更好的热稳定性；光致变色俘精酰亚胺液晶聚合物具有热不可逆光致变色性质；二芳基乙烯键合聚合物薄膜的循环超过10000次，达到了光电器件实用化的水平；而且具有高分子固有的成膜性能好的特点，成为高分子光致变色材料与有机小分子光致变色材料竞争的一大优势。但高分子光致变色材料也存在着合成相对困难，某些光致变色聚合物呈色体在室温下处于热不稳定态，从而会影响信息的长久保存等缺点。但从长远的实际应用角度看，光致变色聚合物必将有一个更快的发展，研究的重点包括：1、 提高光致变色成分的浓度。2、 善于应用间隔基团。3、
38、避免聚合过程中的凝胶化，以提高聚合物的溶解性。4、 寻找更方便的合成路线。5、 其它功能基团，尤其是液晶等基团的引入，拓展光致变色聚合物的应用范围等14。目前已开发的光致变色材料大致可分为无机光致变色材料和有机光致变色材料两大类。传统无机光致变色材料有金属卤化物、金属氧化物、金属羰化物等，研究较为成熟，性能稳定，光色循环次数较高，但种类较少，颜色单调。有机光致变色材料，如螺环烃类、缩苯胺衍生物、染料类、邻硝基苄基衍生物、杂环化合物等，种类繁多、价格便宜、对光敏感度高，因而不仅已在高科技领域如光电信息记录材料方面得到应用，在民用行业也崭露头角，国外如美、德、日、俄、欧等国家已有用于服装、塑料等的
39、民用产品，而国内目前在这个领域还没有真正的生产厂家，一些研究机构如南开大学等已着手开发光致变色涂料等，并有部分产品通过了测试。目前国内外还在积极探索和开发新的高性能的有机光致变色体系。虽然有机光致变色材料的研究取得了较大的发展，但也有不耐高温和容易疲劳的缺点，尤其是户外耐候性较差限制了其在建筑方面的应用，相反，无机光致变色材料却体现了很好的稳定性和耐疲劳性能。因此，近些年来，无机光致变色材料的研究重新引起了人们的重视，并开发了无机和有机复合光致变色材料及生物光致变色材料。在未来，环保将会在日常生活中日益突出。由于有机材料属于环保材料，对环境的影响小，有机光致变色材料应该逐步代替无机光致变色材料
40、成为光致变色材料中的主要类别。2.2.3 电致变色材料电致变色（Electrochromism，简写为EC)是指在电流或电场的作用下，材料发生光吸收或光散射，从而导致颜色产生可逆变化的现象。自从Deb.S.K.1969年首次发现WO3膜的电致变色现象以来，人们就发现了很多具有电致变色性能的物质，使电致变色材料显示出了广阔的市场应用前景。由于电致变色材料制成的显示屏没有视角显示限制，且色彩丰富、响应时间快，有望用于取代液晶显示。此外，电致变色材料在军事伪装、智能材料等方面具有潜在价值，受到越来越多的关注15。电致变色材料在实际应用中需具有以下性能：1、 具有良好的电化学氧化还原可逆性。2、 颜色
41、变化的响应时间快。3、 颜色的变化应是可逆的。4、 颜色变化灵敏度高。5、 有较高的循环寿命。6、 有一定的储存记忆功能。7、 有较好的化学稳定性。电致变色材料按材料类型大致可分为无机电致变色材料和有机电致变色材料。无机电致变色材料的性能稳定，其光吸收变化是由于离子和电子的双注入和双抽出而引起的。有机电致变色材料的色彩丰富，易进行分子设计，其光吸收变化来自氧化还原反应。无机电致变色材料多为过渡金属氧化物或其衍生物。这是由于过渡金属元素在d轨道有未成对的单电子存在。过渡金属元素离子一般易于着色，且基态与激发态能量差较小。氧化物中金属的电子层结构不稳定，在一定的条件下价态发生可逆转变，形成混合价态
42、的离子共存状态，其颜色随离子价态和浓度的变化而变化。依据变色特性，又可分为阴极电致变色材料和阳极电致变色材料。有机电致变色材料又可以分为三种类型：氧化还原型化合物；有机螯合物；导电聚合物。近年来，电致变色材料因在显示器件、智能窗、无眩反光镜、军事防伪等方面具有广阔的应用前景而受到人们的重视。目前，已经有部分产品上市，如汽车观后镜等。但是，电致变色材料的研制与实际应用还存在一定距离，仍有尚待解决的问题，例如变色响应时间慢、颜色保持时间短等。世界几个主要从事该领域研究的国家如美国、日本、瑞典等，都致力于解决此类问题及进一步应用。国内研究人员近年来也开始涉足该领域的研究，但用于大屏幕信息显示的电致变
43、色器件离实际应用仍有距离，需要人们不断研制与开发。电致变色材料为人类的生产生活提供了巨大的方便。根据其原理，可将电致变色材料用于房屋的外墙壁，因为墙壁暴露于阳光空气中会携带大量静电，静电导致电致变色材料变色，调节光线吸收或反射的量，从而可以控制室内的温度变化。在高精密仪器生产场所或某些实验室等不能有静电的场所可以使用电致变色材料实时地检测静电，当材料颜色发生变化时说明此时有静电，可采取措施消除静电，避免了潜在的危险。2.3高分子系智能材料2.3.1 形状记忆复合材料具有形状记忆性的可生物降解复合材料被称为21世纪第三代生物材料。在生物医学上被应用到骨组织固定、血栓治疗、人造器官修复、血管手术夹
44、、药物释放等。这种材料用于手术后，无须再次手术，其分解产物为小分子，可随正常的新陈代谢排除体外；同时该生物材料具有形状记忆性，在特殊的人体手术过程中起到非常简便的作用，使一些用常规方法难于完成的手术能轻松的进行。它的应用可大大减轻病人的痛苦和手术治疗的费用，同时也极大地减少了繁琐的手术过程和医生的工作压力。因此，进行可生物降解形状记忆性聚合物无机物复合材料地研究是一项具有社会意义和广阔市场前景的工作。图2-2为形状记忆复合材料制作的月球车可折叠展开轮子。图2-2 形状记忆复合泡沫制作的月球车可折叠展开轮子对于目前国家提倡环保社会的目标，可生物降解的有机无机复合材料是一种有很大前景的复合材料，可
45、用在环境工程等许多领域。特别是在生物医学领域中的组织工程，可生物降解的有机/无机复合材料得到众多研究者青睐。形状记忆复合材料是以一种具有功能性的材料通过物理或化学的作用与另一种具有形状记忆特性的材料复合，复合后的材料保持以前良好的记忆性；同时，复合材料的其它性能发生了改变，一般来讲是有所提高，比如：机械性能、生物性能、以及特殊的功能性等16。在国外，具有形状记忆功能的可生物降解聚合物无机物复合材料的报道并不多。在国内的其它研究单位，关于此方向已发表的国际期刊性文章极少。我们可以相信可生物降解形状记忆高分子复合材料由于具有潜在的发展前景，它的研究势必成为未来几年内的一个研究热点17。形状记忆复合
46、材料的潜在发展前景十分广阔，要想拓宽其应用范围，应该重点探索对形状记忆复合材料掺杂增强形状记忆聚合物的记忆效应的研究,并要显著提高其稳定性，减少不可逆现象的出现。2.3.2 智能型药物释放体系在一般的给药方式下，人体内的药物浓度只能维持较短时间，血液或体内组织中的药物浓度上下波动较大，时常超过药物最高耐受剂量或低于最低有效剂量，这样不仅起不到应有的疗效，还可能产生副作用。因此探索新的药物释放系统，以克服等速释放所产生的允许剂量问题，实现特定的药物剂量在特定时间和空间的释放，就变得越来越重要18。智能药物释放体系能传感病灶信号，定时定量地释放药物，从而达到治疗效果，一旦正常则立刻终止药物的释放，
47、实现药物释放的反馈调节19。智能型聚合物作为药物释放载体，集传感、处理与执行功能于一体，从而达到药物控制释放智能化的目的。药物释放体系(drug delivery system，DDS)的原理框架一般由4个结构单元构成，即药物储存、释放程序、能源相和控制单元。如图2-3释放程序能 源药物储存器控制要素目标所需药物浓度生物膜图2-3 DDS的结构单元控制释放在高分子控制释放体系中，扩散是控制释放的主要过程。药物需通过网状高分子链间的密度变化进行扩散和渗透，而具备生理活性的物质不仅通过扩散、渗透从药物释放体系中释放，还能借助高分子的生物降解而释放。控释体系有两类：一类是药物包裹在可生物降解的高分子
48、膜内或分散在高分子基材中，药物释放受高分子降解速度的影响；另一类是将药物键合于高分子的大分子链上，通过控制化学键的断裂来调节药物的释放。按照体系类型和高分子降解机制不同，药物释放分别受扩散、降解或二者同时控制20。刺激响应性高分子可构成具有反馈机制的智能药物释放体系(图2-4)。载有药物的刺激响应性高分子在正常状态下呈收缩状态，当感受到疾病的信息后，就能做出响应，其体积发生膨胀，使所载的药物通过扩散释放出来；当机体恢复正常时，刺激响应性高分子又恢复到收缩状态，从而达到药物控制释放智能化的目的。正常关自动反馈系统药物释放开疾病图2-4 智能药物释放系统原理图PH变化、添加带有相反电荷的聚合物、温度或离子强度变化引起的氢键强度或亲、疏水平衡的变化等，能使智能型聚合物的微
