无机非金属材料工程是材料学中的一个专业。无机非金属材料工程是为了培养具备无机非金属材料及其复合材料科学与工程方面的知识，能在无机非金属材料结构研究与分析、材料的制备、材料成型与加工等领域从事科学研究、技术开发、工艺和设备设计、生产及经营管理等方面工作的高级工程技术人才。业务培养要求： 本专业学生主要学习无机非金属材料及复合材料的生产过程、工艺及设备的基础理论、组成、结构、性能及生产条件间的关系，具有材料测试、生产过程设计、材料改性及研究开发新产品、新技术和设备及技术管理的能力。[编辑本段]主干学科： 材料科学与工程[编辑本段]主要课程： 物理化学、无机材料性能、测试及研究方法、粉体工程、材料制备原理、热工过程与设备、无机材料工艺学(含硅酸盐、复合材料)等[编辑本段]主要实践性教学环节： 包括专业实验、金工实习、生产实习(含毕业实习)、课程设计、计算机应用与上机实践、毕业设计(论文)。[编辑本段]主要专业实验： 材料物化性能、材料工艺性能实验、材料晶相分析等 修业年限：四年 授予学位：工学学士开设院校 重庆科技学院 合肥学院化工系 辽宁大学 大连轻工业学院 大连理工大学 吉林大学 北京科技大学 云南大学 吉林建筑工程学院 西南工学院 贵州大学 昆明理工大学 西安建筑科技大学 陕西科技大学 河北理工大学 燕山大学 太原理工大学 内蒙古工业大学 辽宁科技大学 沈阳化工学院 齐齐哈尔大学 哈尔滨理工大学 上海大学 南京工业大学 江苏大学 盐城工学院 安徽工业大学 安徽理工大学 安徽建筑工业学院 江西理工大学 景德镇陶瓷学院 济南大学 山东轻工业学院 武汉化工学院 武汉科技大学 广西大学 桂林理工大学（原桂林工学院） 沈阳建筑大学 哈尔滨工业大学 成都理工学院 西安工程学院 石家庄铁道学院 东华理工学院 中北大学 长春理工大学 北京化工大学 天津大学 华东理工大学 东南大学 武汉理工大学 湖南大学 中南大学 湖南科技大学 华南理工大学 长沙理工大学 四川大学 沈阳工业大学 淄博学院 湖南工学院 山东大学 河北工业大学 河北科技大学 河北工程大学 河北建筑科技学院 东华大学 河海大学 河南科技大学 洛阳理工学院 合肥工业大学 河南城建学院 甘肃理工大学 巢湖学院 长安大学[编辑本段]无机非金属材料行业发展趋势 1.无机非金属材料在国民经济建设中的作用和地位 作为四大材料中(钢铁、有色、有机和无机非金属材料)工业之一的无机非金属材料工业在我国经济建设中起着重要的作用。近年来，无机非金属材料不仅在品种上有了空前的发展，而且在内涵上有了进一步的延伸。根据无机非金属材料功能与作用的不同，可以将无机非金属材料划分为传统无机非金属材料（建筑材料）和无机非金属新材料。 传统的无机非金属材料材料品种繁多，主要是指大宗无机建筑材料，包括水泥、玻璃、陶瓷与建筑（墙体）材料等。其产量占无机非金属材料的绝大多数。建筑材料与人们的生活质量息息相关。新型无机非金属材料是指具有如高强、轻质、耐磨、抗腐、耐高温、抗氧化以及特殊的电、光、声、磁等一系列优异综合性能的新型材料，是其它材料难以替代的功能材料和结构材料。无机非金属新材料具有独特的性能，是高技术产业不可缺少的关键材料。例如稀土掺杂石英玻璃广泛应用于导弹、卫星及坦克火控武器等激光测距系统，耐辐照石英玻璃应用于各种卫星及宇宙飞船的姿控系统；光学纤维面板和微通道板作为像增强器和微光夜视元件在全天候兵器中得到应用；航空玻璃为中国各类军用飞机提供了关键部件。人工晶体材料中激光、非线性光学和红外等晶体，用于弹道制导、电子对抗、潜艇通讯、激光武器等。特种陶瓷中，耐高温、高韧性陶瓷可用于航空、航天发动机、卫星遥感，可制作特殊性能的防弹装甲陶瓷及特种纤维及用于电子对抗等。目前已开发了近四千种高性能、多功能无机非金属新材料新品种。这些高性能材料在发展现代武器装备中起到十分重要的作用。 2. 国际发展趋势 近些年，随着科学技术的进步，无论是传统无机非金属材料，还是无机非金属材料都有了一些新的发展趋势。 生态与环保意识加强,建立科学的评价体系,实现可持续发展 西方发达国家在促进传统无机非金属材料产业健康、可持续发展方面的采取了许多重要措施。世界发达国家十分重视建材工业的可持续发展与绿色评价。生态评价也成为世界可持续发展的一个重要手段。目前,许多国家正在进行“生态城市”的建设与实践,推广建筑节能技术材料,使用可循环材料等,改善城市生态系统状况。由此，提出了绿色建材、环保建材与节能建材的概念,并开展了大量的研究与实践工作。与西方发达国家相比,我国还存在很大的差距,特别是缺乏立法支持与技术标准的指导以及相应组织的管理与监督,使我国的传统无机非金属材料工业发展还有很大的提升空间。面对资源和环境对我国经济发展的严峻考验,国民经济的可持续发展战略显得愈加重要。[编辑本段]向着节能、降耗的方向发展 传统的无机非金属材料工业是能源消耗大户,在世界能源日益短缺的今天,如何生产节能、降耗,以及如何生产出高质量的建筑节能、保温产品是建材工业发展的重要趋势。选择资源节约型、污染最低型、质量效益型、科技先导型的发展方式。新型墙体材料、高质量门窗、中空玻璃将大量应用。向着提高材料性能、使用寿命的方向发展。低寿命设计、大量重复建设已经严重制约城市建设的发展。现代化建筑需要高性能建筑材料的支持,而提高建筑的耐久性又对建筑材料的使用寿命提出了更高的要求。[编辑本段]单线生产能力向大型化发展 无论是水泥工业、玻璃工业，还是陶瓷工业，单条生产线的生产能力有大型化的趋势。生产线的大型化可以有效提高产品的质量，降低能源消耗。[编辑本段]向着智能化方向发展 建筑的智能化需要建筑材料的支持。随着技术的进步和生活水平的提高,建筑材料的安全性智能诊断等智能技术将更多的应用于建筑中。[编辑本段]向着复合化、多功能化方向发展 复合材料具有单一材料所无法满足的使用功能,是建筑材料的发展趋势,对建筑材料的功能要求越来越趋向于多功能化。 在美国、日本、西欧等所有发达国家在其科技发展战略中都把无机非金属新材料的发展放在优先发展的重要位置。例如，美国为了保持在高技术和军事装备方面的领先地位，在先后制定的《先进材料与技术计划（AMPP）》和《国家关键技术报告》中，新材料为六大关键技术之首，而无机非金属新材料占有相当比例；日本发表的《21世纪初期产业支柱》所列的新材料领域的14项基础研究计划中，其中七项涉及无机非金属新材料的研究领域。 例如发达国家十分重视复合材料产业化生产和应用技术研究。通过关键技术的突破，实现材料的产业化；产业化应用，促进了技术的成熟和创新；应用新材料刺激新产业的产生，创造出新的应用领域。[编辑本段]3. 我国无机非金属材料差距和问题 3．1 传统无机非金属材料 我国无机非金属材料工业的发展中存在很多问题，特别是传统的无机非金属材料与国外先进水平有非常大的差距，主要有： (1) 产品等级低 在传统无机非金属材料中，无论是水泥、玻璃还是陶瓷的产品等级普遍偏低。例如：发达国家的水泥熟料强度一般都在70MPa以上，而我国平均强度仅为50 MPa。我国高等级水泥（ISO≥42.5）仅占18%，大量生产的是中、低等级水泥（ISO≤32.5），而很多发达国家的高等级水泥占90％以上。 (2) 资源消耗高 在资源的消耗方面，水泥和陶瓷工业更为突出。由于大量的无序开采，未能充分利用有限资源，造成了极大浪费。例如：生产水泥熟料的主要原料是相对优质的石灰石，其化学成份须满足CaO含量不低于45%、MgO不高于3%等要求。我国符合水泥生产要求，可以使用的量仅约250亿吨。目前每年生产水泥消耗的优质石灰石约5.5亿吨，因此该储量仅可生产水泥熟料约200亿吨，仅能提供约40年的水泥生产需要。 (3) 能源消耗高 在建筑材料的生产过程中，要消耗大量的能源。例如：水泥工业每年消耗标煤9106万吨，电力 650亿度。我国水泥生产能耗远高于世界先进水平，以每吨熟料的综合能耗计算，世界先进水平为117Kg标煤，我国为173.5Kg标煤，高出达50%以上。在国外，全氧燃烧技术已经在玻璃行业中得到了较为广泛的应用，而仅有为数不多玻璃纤维生产线使用了该项技术。 (4) 环境污染严重 水泥工业每年排放温室气体CO2约5.55亿吨、SO2 68.6万吨、NOx约206万吨；目前其他先进国家平均吨熟料的粉尘排放<1Kg，而我国高达13Kg，全国水泥生产年排放的粉尘竟高达1000万吨以上。 (5) 单线生产规模小，落后工艺大量存在 以悬浮预热和预分解技术为核心技术的“新型干法”工艺，是目前世界水泥工业普遍采用的最先进的现代化水泥生产技术。日本有96%、意大利96.5%、韩国100%、泰国90%的水泥产量采用这种新型干法生产线，而我国仅为15％。我国水泥制造业处于先进工艺与落后工艺并存的复杂状态。在玻璃行业，我国浮法玻璃生产线的平均生产规模为450吨/天，而西方国家的法玻璃生产线的平均生产规模为550吨/天。而且在玻璃产品的品质上与国外相比有非常的差距。 3．2无机非金属新材料 虽然我国无机非金属新材料取得了很多成就，但由于我国无机非金属材料研制、开发至产业的形成起步较晚，底子薄，投入强度小等原因，使之与发达国家相比，仍有较大差距 (1) 基础研究和关键技术落后 我国的无机非金属新材料是从试制起步的，发展过程也主要是随从于型号的需要进行。由于时间、人力的限制，加之我国长期以来对基础研究重视不够，投入较少，无机非金属材料的系统的基础非常薄弱。 (2) 材料性能低、品种少、批生产质量不稳定 虽然我国已基本上建立了无机非金属材料的研究、开发与部分产品的生产体系，但材料的品种尚不齐全，一些重要工程的关键配套材料还须进口。性能低、质量差的问题仍然存在，而且在进行批量生产时质量不稳定、成品率低、效益差的问题严重，必须下大力气解决。例如，电磁屏蔽玻璃目前我国只能达到屏蔽85dB的水平，而美国已达到110dB。我们在屏蔽波段范围等方面远远不能满足国防工业发展的需要。而航空玻璃方面高强、多功能(隐身、防激光等)圆弧整体风挡在我国还刚起步研究，极大的制约了我国航空工业的发展。 (3) 制备技术落后 无机非金属新材料工业，不但制备技术落后，而且生产能力低，效率低，直接影响高科技产品质量(性能)、成本、能耗等三个方面。例如，国外工业发达国家玻璃纤维生产大都采用800-6000孔漏板池窑拉丝法生产，已占总量95％以上，无纺材料全部用池窑法生产，坩埚拉丝法早已被淘汰，而我国现有的池窑拉丝大部分采用800-2000孔生产技术，4000孔技术正在开发，坩埚拉丝还没有完全淘汰，与国外相比还有较大的差距。我国纤维增强复合材料机械化生产只占40％，60％仍采用落后的手工成型，与工业发达国家差距甚大。又如集成电路(IC)石英扩散管的制备技术，国内采用的单机间歇气炼生产技术只能提供100mm以下IC 管，而国外采用一步法连熔拉管技术，生产∮200~300mm大口径石英管供大规模集成电路用，使我国IC用石英扩散管失去竞争能力，完全依赖进口。 (4) 技术装备落后 目前我国无机非金属新材料制备技术与装备明显落后，造成研制周期长、新产品发展困难，预研成果不能及时进入工程化研究，即便生产也会出现成品率低、规模小，经济效率差等问题。[编辑本段]4. 无机非金属材料工业发展的对策与建议 针对我国无机非金属材料工业的现状，要实现其快速、健康、稳定的发展，就必须开展以下几个方面的工作。 (1) 加强政府在建材工业发展和产业结构调整中的政策引导； (2) 加强资源综合利用和环境保护的立法并严肃执法； (3) 促进形成若干个有国际竞争力的大型建材工业集团，建立以企业为主体的新型建材工业科技创新体系，促进产、学、研结合； (4) 加强“绿色”和节能型建材工业的应用基础研究，加强建材工业实验基地建设，促进工程技术创新； (5) 强化行业管理，建立科学、先进、合理的标准体系，建立产品质量认证制度，发挥行业协会、学会和各类中介机构的作用； (6) 应尽快制定适应我国市场经济发展和科研体制和政府体制改革的科学、有力的政策措施和管理体系，加大投资力度和项目审计，以保证无机非金属新材料研究、开发和生产的健康发展; (7) 应根据需求牵引和科技推进的原则，并结合无机非金属材料科学体系特点，统筹兼顾、协调发展，合理安排中长期科研项目。应重视和加强基础研究，充分注意相关领域科技前沿，提高我国无机非金属新材料的科技水平和开发能力; (8) 为适应无机非金属材料的飞速发展，必须加快人才的培养，不断革新无机非金属材料教育的课程设置和教材，尽快反映本领域和相关领域不断增加的新知识。应重视以基本的物理、化学原理为基础，加强原始创新，研究探索有应用前景的未知新材料、研究新材料的合成、制备，特别是用基础分析和计算机建模、微观尺度结构控制、仿生等方法，发展具有创新意义的高性能低成本无机非金属新材料。应加强新设备、包括重大仪器的研究和装备，没有先进的仪器、装备就不可能在材料的科技前沿进行研究开发工作。 另外，任何材料都必须经历工程化、实用化的过程。教育与培养一批工程能力突出、实践能力强的高素质人才，已经成为高等教育的重要内容。在学生的培养过程中，加强实践环节的教学是必由之路。与此相对应的实践教学与工程训练必须进行相应的改革，以适应对人才培养的要求。
上中国知网，或者豆丁上下..很多的...智能无机非金属材料摘 要 结构材料所处的环境极为复杂，材料损坏引起事故的危险性不断增加，研究与开发对损坏能自行诊断并具有自修复能力的结构材料是十分重要而急迫的任务。本文对智能材料的发展、构思、无机非金属智能材料进行了综述，对智能材料进一步研究进行了展望。 关键词 智能；无机非金属；材料 智能材料是指对环境具有可感知、可响应并具有功能发现能力的新材料。日本高木俊宜教授[1]将信息科学融于材料的物性和功能，于1989年提出了智能材料（Intelligent materials）概念。至此智能材料与结构的研究也开始由航空航天及军事部门[2,3]逐渐扩展到土木工程[4]、医药、体育和日常用品[5,6]等其他领域。 同时，美国的R•E•Newnham教授围绕具有传感和执行功能的材料提出了灵巧材料（Smart materials）概念，又有人称之为机敏材料。他将灵巧材料分为三类： 被动灵巧材料——仅能响应外界变化的材料； 主动灵巧材料——不仅能识别外界的变化，经执行线路能诱发反馈回路，而且响应环境变化的材料； 很灵巧材料——有感知、执行功能，并能响应环境变化，从而改变性能系数的材料。 R•E•Newnham的灵巧材料和高木俊宜的智能材料概念的共同之处是：材料对环境的响应性。 自l989年以来，先是在日本、美国，尔后是西欧，进而世界各国的材料界均开始研究智能材料。科学家们研究将必要的仿生(biominetic)功能引入材料，使材料和系统达到更高的层次，成为具有自检测、自判断、自结论、自指令和执行功能的新材料。智能结构常常把高技术传感器或敏感元件与传统结构材料和功能材料结合在一起，赋予材料崭新的性能，使无生命的材料变得有了“感觉”和“知觉”，能适应环境的变化，不仅能发现问题，而且还能自行解决问题。 由于智能材料和系统的性能可随环境而变化，其应用前景十分广泛[7]。例如飞机的机翼引入智能系统后，能响应空气压力和飞行速度而改变其形状；进入太空的灵巧结构上设置了消震系统，能补偿失重，防止金属疲劳；潜水艇能改变形状，消除湍流，使流动的噪声不易被测出而便于隐蔽；金属智能结构材料能自行检测损伤和抑制裂缝扩展，具有自修复功能，确保了结构物的可靠性；高技术汽车中采用了许多灵巧系统，如空气-燃料氧传感器和压电雨滴传感器等，增加了使用功能。其它还有智能水净化装置可感知而且能除去有害污染物；电致变色灵巧窗可响应气候的变化和人的活动，调节热流和采光；智能卫生间能分析尿样，作出早期诊断；智能药物释放体系能响应血糖浓度，释放胰岛素，维持血糖浓度在正常水平。 国外对智能材料研究与开发的趋势是：把智能性材料发展为智能材料系统与结构。这是当前工程学科发展的国际前沿，将给工程材料与结构的发展带来一场革命。国外的城市基础建设中正构思如何应用智能材料构筑对环境变化能作出灵敏反应的楼层、桥梁和大厦等。这是一个系统综合过程，需将新的特性和功能引入现有的结构中。 美国科学家们正在设计各种方法，试图使桥梁、机翼和其它关键结构具有自己的“神经系统”、“肌肉”和“大脑”，使它们能感觉到即将出现的故障并能自行解决。例如在飞机发生故障之前向飞行员发出警报，或在桥梁出现裂痕时能自动修复。他们的方法之一是，在高性能的复合材料中嵌入细小的光纤材料，由于在复合材料中布满了纵横交错的光纤，它们就能像“神经”那样感受到机翼上受到的不同压力，在极端严重的情况下，光纤会断裂，光传输就会中断，于是发出即将出现事故的警告。 1、 智能材料的构思[8] 一种新的概念往往是各种不同观点、概念的综合。智能材料设计的思路与以下几种因素有关：(1)材料开发的历史，结构材料→功能材料→智能材料。(2)人工智能计算机的影响，也就是生物计算机的未来模式、学习计算机、三维识别计算机对材料提出的新要求。(3)从材料设计的角度考虑智能材料的制造。(4)软件功能引入材料。(5)对材料的期望。(6)能量的传递。(7)材料具有时间轴的观点，如寿命预告功能、自修复功能，甚至自学习、自增殖和自净化功能，因外部刺激时间轴可对应作出积极自变的动态响应，即仿照生物体所具有的功能。例如，智能人工骨不仅与生物体相容性良好，而且能依据生物体骨的生长、治愈状况而分解，最后消失。 1．1 仿生与智能材料 智能材料的性能是组成、结构、形态与环境的函数，它具有环境响应性。生物体的最大特点是对环境的适应，从植物、动物到人类均如此。细胞是生物体的基础，可视为具有传感、处理和执行三种功能的融合材料，因而细胞可作为智能材料的蓝本。 对于从单纯物质到复杂物质的研究，可以通过建立模型实现。模型使复杂的生物材料得解，从而创造出仿生智能材料。例如，高分子材料是人工设计的合成材料，在研究时曾借鉴于天然丝的大分子结构，然后合成出了强度更高的尼龙。目前，已根据模拟信息接受功能蛋白质和执行功能蛋白质，创造出由超微观到宏观的各种层次的智能材料。 1．2 智能材料设计 用现有材料组合，并引入多重功能，特别是软件功能，可以得到智能材料。随着信息科学的迅速发展，自动装置(Automaton)不仅用于机器人和计算机这类人工机械，更可用于能条件反射的生物机械。 此自动装置在输入信号(信息)时，能依据过去的输入信号(信息)产生输出信号(信息)。过去输入的信息则能作为内部状态存贮于系统内。因此，自动装置由输入、内部状态、输出三部分组成。将智能材料与自动装置类比，两者的概念是相似的。 自动装置M可用以下6个参数描绘： M＝（θ，X，Y，f，g，θ0） 式中θ为内部状态的集；X和Y分别代表输入和输出信息的集；f表示现在的内部状态因输入信息转变为下一时间内部状态的状态转变系数；g是现在的内部状态因输入信息而输出信息的输出系数；θ0为初期状态的集。 为使材料智能化，可控制其内部状态θ、状态转变系数f及输出系数g。例如对于陶瓷，其θ、f、g的关系，即是材料结构、组成与功能性的关系。设计材料时应考虑这些参数。若使陶瓷的功能提高至智能化，需要控制f和g。 一般陶瓷是微小晶粒聚集成的多晶体，常通过添加微量第二组分控制其特性。此第二组分的本体和微晶粒界两者的性能均影响所得材料特性。 实际上，第二组分的离子引入系统时，其自由能(G=H-TS)发生变化，为使材料的自由能(G)最小，有必要控制焓(H)，使熵(S)达最适合的数值。而熵与添加物的分布有关，因此陶瓷的功能性控制可通过优化熵来实现。熵由材料本身的焓调控。故为使陶瓷具有高功能进而达到智能化的目的，应使材料处于非平衡态、拟平衡态和亚稳定状态。 对于智能材料而言，材料与信息概念具有同一性。而某一L符号的平均信息量Φ与几率P状态的信息量logP有关，即 此式类同于热力学的熵，但符号相反，故称负熵(negcntropy)。因熵为无序性的量度，负熵则是有序性的量度。 1．3 智能材料的创制方法 基于智能材料具有传感、处理和执行的功能，因而其创制实际上是将此类软件功能（信息）引入材料。这类似于身体的信息处理单元——神经原，可融各种功能于一体（图1（a）），将多种软件功能寓于几纳米到数十纳米厚的不同层次结构（图1（b）），使材料智能化。此时材料的性能不仅与其组成、结构、形态有关，更是环境的函数。智能材料的研究与开发涉及金属系、陶瓷系、高分子系和生物系智能材料和系统。 2、 智能无机非金属材料 智能无机非金属材料很多，在此介绍几种较为典型的智能无机非金属材料。 2．1 智能陶瓷 2．1．1 氧化锆增韧陶瓷 氧化锆晶体一般有三种晶型： 其中t-ZrO2转化为m-ZrO2相变具有马氏体相变的特征，并且相变伴随有3%～5%的体积膨胀。不加稳定剂的ZrO2陶瓷在烧结温度冷却的过程中，就会由于发生相变而严重开裂。解决的办法是添加离子半径比Zr小的Ca、Mg、Y等金属的氧化物。 氧化锆相变可分为烧成冷却过程中相变和使用过程中相变。造成相变的原因，前者是温度诱导，后者是应力诱导。两类相变的结果都可使陶瓷增韧。增韧机制主要有相变增韧、微裂纹增韧、表面增韧、裂纹弯曲和偏转增韧等[9]。 当ZrO2晶粒尺寸比较大而稳定剂含量比较小时，陶瓷中的t-ZrO2晶粒在烧成后冷却至室温的过程中发生相变，相变所伴随的体积膨胀在陶瓷内部产生压应力，并在一些区域形成微裂纹。当主裂纹在这样的材料中扩展时，一方面受到上述压应力的作用，裂纹扩展受到阻碍；同时由于原有微裂纹的延伸使主裂纹受阻改向，也吸收了裂纹扩展的能量，提高了材料的强度和韧性。这就是微裂纹增韧。 由于ZrO2相变温度很高，借助温度变化来设计智能材料是不可行的，需要研究应力诱导下的相变增韧，应力诱导下的相变增韧在ZrO2增韧陶瓷中是最主要的一种增韧机制。 材料中的t-ZrO2晶粒在烧成后冷却至室温的过程中仍保持四方相形态，当材料受到外应力的作用时，受应力诱导发生相变，由t相转变为m相。由于ZrO2晶粒相变吸收能量而阻碍裂纹的继续扩展，从而提高了材料的强度和韧性。相转变发生之处的材料组成一般不均匀，因结晶结构的变化，导热和导电率等性能随之而变，这种变化就是材料受到外应力的信号，从而实现了材料的自诊断。 对氧化锆材料压裂而产生裂纹，在300℃热处理50h后，因为t相转变为m相过程中产生的体积膨胀补偿了裂纹空隙，可以再弥合，实现了材料的自修复。 对于材料使用中产生的疲劳强度及膨胀状况等，可通过材料的尺寸、声波传播速度、导热和导电率的变化进行在位观测。 2．1．2灵巧陶瓷 灵巧陶瓷是灵巧材料的一种，它能够感知环境的变化,并通过反馈系统作出相应的反应。用若干多层锆钛酸铅(PZT)可制成录像磁头的自动定位跟踪系统，日本利用PZT压电陶瓷块制成了Pachinko游戏机。 录像磁头的自动定位跟踪系统的原理是：在PZT陶瓷双层悬臂弯曲片上，通过布设的电极将其分为位置感受部分和驱动定位部分。位置感受部分即为传感器，感受电极上所获得的电压通过反馈系统施加到定位电极上，使层片发生弯曲，跟踪录像带上的磁迹，见图2。 Pachinko游戏机也应用了类似的原理。 利用灵巧陶瓷制成的灵巧蒙皮，可以降低飞行器和潜水器高速运动时的噪声，防止发生紊流，以提高运行速度，减少红外辐射达到隐形目的。 根据上述原则，完全有可能获得很灵巧材料。这种材料能够感知环境的多方面变化并能在时间和空间两方面调整材料的一种或多种性能参数，取得最优化响应。因此，传感、执行和反馈是灵巧材料工作的关键功能。 2.1.3压电仿生陶瓷 材料仿生是材料发展的方向之一。日本研究人员正在研究鲸鱼和海豚的尾鳍和飞鸟的鸟翼，希望能研究出象尾鳍和鸟翼那样柔软、能折叠、又很结实的材料。 图3为模拟鱼类泳泡运动的弯曲应力传感器。传感器中两个金属电极之间有一很小的空气室，PZT压电陶瓷起覆盖泳泡肌肉的作用。因空气室的形状类似于新月，故称为“Moonie”复合物。此压电水声器应用特殊形状的电极，通过改变应力方向，使压电应变常数dh增至极大值。当厚的金属电极因声波而承受静水压力时，一部分纵向应力转变为符号相反的径向和切向应力，使压电常数d3l由负值变为正值，它与d33叠加，使dh值增加。这类复合材料的dh•gh值比纯PZT材料的大250倍。 应用PZT纤维复合材料和“Moonie”型复合物设计开发的执行器元件，可以消除因声波造成的稳流。 2．2 智能水泥基材料 在现代社会中，水泥作为基础建筑材料应用极为广泛，使水泥基材料智能化具有良好的应用前景。 智能水泥基材料包括：应力、应变及损伤自检水泥基材料[10～12]；自测温水泥基材料[13]；自动调节环境湿度的水泥基材料[14]；仿生自愈合水泥基材料[15、16]及仿生自生水泥材料[17]等。 水泥基材料中掺加一定形状、尺寸和掺量的短切碳纤维后，材料的电阻变化与其内部结构变化是相对应的。因此，该材料可以监测拉、弯、压等工况及静态和动态载荷作用下材料内部情况。在水泥净浆中0.5%（体积）的碳纤维用做传感器，其灵敏度远远高于一般的电阻应变片。 将一定长度的PAN基短切碳纤维掺入水泥净浆中，材料产生了热电效应。这种材料可以对建筑物内部和周围环境温度的变化实时监测。基于该材料的热电效应，还可能利用太阳能和室内外温差为建筑物供电。如果进一步使该材料具有Seebeck效应的逆效应——Peltier效应，那么就可能制得具有制冷制热材料。 在水泥净浆中掺加多孔材料，利用多孔材料吸湿量与温度的关系，能够使材料具有调湿功能。 一些科学家目前在研制一种能自行愈合的混凝土。设想把大量的空心纤维埋入混凝土中，当混凝土开裂时，事先装有“裂纹修补剂”的空心纤维会裂开，释放出粘结修补剂把裂纹牢牢地粘在一起，防止混凝土断裂。这是一种被动智能材料，即在材科中没有埋入传感器监测裂痕，也没有在材料中埋入电子芯片来“指导”粘接裂开的裂痕。与此原理相同，美国根据动物骨骼的结构和形成机理，尝试仿生水泥基材料的制备。该材料在使用过程中如果发生损伤，多孔有机纤维回释放高聚物愈合损伤。 美国科学家正在研究一种主动智能材料，能使桥梁出现问题时自动加固。他们设计的一种方式是：如果桥梁的某些局部出现问题，桥梁的另一部分就自行加固予以弥补。这一设想在技术上是可行的。随着电脑技术的发展，完全可以制造出极微小的信号传感器和微电子芯片及计算机把这些传感器、微型计算机芯片埋入桥梁材料中。桥梁材料可以用各种神奇的材料构成，例如用形状记忆材料。埋在桥梁材料中的传感器得到某部分材料出现问题的信号，计算机就会发出指令，使事先埋入桥梁材料中的微小液演变成固体而自动加固。 3、结语 目前，智能材料尚处在研究发展阶段，它的发展和社会效应息息相关。飞机失事和重要建筑等结构的损坏，激励着人们对具有自预警、自修复功能的灵巧飞机和材料结构的研究。以材料本身的智能性开发来满足人们对材料、系统和结构的期望，使材料结构能“刚”“柔”结合，以自适应环境的变化。在未来的研究中，应以以下几个方面为重点。 （1）如何利用飞速发展的信息技术成果，将软件功能引入材料、系统和结构中； （2）进一步加强探索型理论研究及材料复合智能化的机理研究，加速发展智能材料科学； （3）加强应用基础研究。
无机非金属非常有前景 不错
无机非金属材料：三大材料之一
用高温固相反应由锆矿石粉制备锆质颜料锆质颜料是陶瓷、搪瓷、玻璃工业应用较广泛的高温无机颜料 因为它具有非常稳定的晶型结构，所以具有耐高温，物化性能稳定、着色力强等优点。我国锆质颜料主要是用品位较高的氧化锫，二氧化硅与着色元素人工合成的。用这种方怯生产的锫质颜料，成本太高。据《日本特许公报》昭47—8699报道，锆质颜料可用锆英石矿粉按特定的工艺条件直接合成。实验结果表明， 用锆英石矿粉直接合成的无机锆质颜料质置达到国内外同类产品水平。而其生产成本比用原法生产的产品成倍降低。用锆英石矿粉直接合成无机锆质颜料采用的工艺流程如图---------高温固相反应由锆矿石粉制备锆质颜料的工艺流程 主要原料有(1)锫英石： ZrO：≥60 ，工业级，广东等地产。 (2)纯碱I Na 2CO 3／>95 ，工业级，大连等地产。(3) 硫酸2 H 2SO‘／>90％ ， 工业级，全国各地产。(4)氧化镨2 Pr日OI1>／90％，工业级内蒙、上海等地产。(5)五氧化二钒： V O ≥96 ，工业级， 湖南等地产。(6)铁红；Fe O。≥96 ， 工业级， 湖南等地产。(7)铬绿：Cr O。≥96 ， 工业级， 湖南等地产。(8)氧化铺：C0~70 ， 工业级， 广东， 湖南等地产。锆质颜料的色域非常广泛， 在氧化锆，二氧化硅形成锆英石晶型结构的同时，5【入上述原料(4)一(8)中的一种，则可制备黄、蓝、红、绿、青等不同色调的锆质颜料。本方法的不同之处在于：所用的基术原料锆英石矿粉本身就具有稳定的晶型结构，简单地加入着色离子是不能制备锆质颜料的。也就是说巳具有稳定晶型结构的锆英石不能再着色，所以， 首先必须破坏其晶型结构。具体做法是，在锆英石矿粉中加入一定量的纯碱，在高温下使混台物发生固相反应生成一种易被无机酸分解的中间物质，然后加入一定量的无机酸处理之， 使之分解并生成一种能与着色离子发生固相反应的混合物。此种混合物巳不具有锆英石晶型，在此种混合物中加入着色元素错、钒、铁、铬、钻等的氧化物或盐类及一定量的矿化剂， 高温下物料发生固相反应生成着色的锆英石固溶体。采用APD一10全自动x射线衍射仪对合成的锫质颜料颗粒进行晶型结构分析，测定条件为工作电压40kVt，工作电流20mAt步选扫描20，20。一80℃铜靶。测定结果表明 锫质颜料试样为锆英石晶型结构，无杂质相生成， 纯度较高。将小样与其他样品进行了质量对比，数据表明， 锆质颜料的各项技术指标已达到国内同类产品水平，其中耐温性高于国内水平。锆英石是一种非常稳定的矿物质， 只有在1530~高温下才能分解。考虑到工业化生产，宜尽量在较低的温度下破坏其晶型结构， 我们在锆英石中加入一定量的纯碱， 以使其在850"C～1IO0~C温度下发生固相反应。通过大量的实验证明， 锆英石与纯碱的比例不同，其反应温度亦不相同合成无机颜料时，加入矿化剂的作用主要是使颜料的晶型结构在较低的温度下形成。不仅如此，加入相应的矿化。剂能使着色离子的价态发生变化，使所需要的颜色离子顺利进入颜料晶格。在一定范围内着色离子加入量与颜料的颜色深浅成正比。合成锆质颜料时， 着色元素的加入量是有一定范围的。在此范围内，着色离子加入量与颜料颜色的深浅成正比。但着色离子不能无限量增加， 不同的着色离子对锆离子和硅离子有一定的取代份数， 超过了这个取代份数，就会产生过剩的着色离子，从而影响颜料质量。
我有，你想怎样？
上中国知网，或者豆丁上下..很多的...智能无机非金属材料摘 要 结构材料所处的环境极为复杂，材料损坏引起事故的危险性不断增加，研究与开发对损坏能自行诊断并具有自修复能力的结构材料是十分重要而急迫的任务。本文对智能材料的发展、构思、无机非金属智能材料进行了综述，对智能材料进一步研究进行了展望。 关键词 智能；无机非金属；材料 智能材料是指对环境具有可感知、可响应并具有功能发现能力的新材料。日本高木俊宜教授[1]将信息科学融于材料的物性和功能，于1989年提出了智能材料（Intelligent materials）概念。至此智能材料与结构的研究也开始由航空航天及军事部门[2,3]逐渐扩展到土木工程[4]、医药、体育和日常用品[5,6]等其他领域。 同时，美国的R•E•Newnham教授围绕具有传感和执行功能的材料提出了灵巧材料（Smart materials）概念，又有人称之为机敏材料。他将灵巧材料分为三类： 被动灵巧材料——仅能响应外界变化的材料； 主动灵巧材料——不仅能识别外界的变化，经执行线路能诱发反馈回路，而且响应环境变化的材料； 很灵巧材料——有感知、执行功能，并能响应环境变化，从而改变性能系数的材料。 R•E•Newnham的灵巧材料和高木俊宜的智能材料概念的共同之处是：材料对环境的响应性。 自l989年以来，先是在日本、美国，尔后是西欧，进而世界各国的材料界均开始研究智能材料。科学家们研究将必要的仿生(biominetic)功能引入材料，使材料和系统达到更高的层次，成为具有自检测、自判断、自结论、自指令和执行功能的新材料。智能结构常常把高技术传感器或敏感元件与传统结构材料和功能材料结合在一起，赋予材料崭新的性能，使无生命的材料变得有了“感觉”和“知觉”，能适应环境的变化，不仅能发现问题，而且还能自行解决问题。 由于智能材料和系统的性能可随环境而变化，其应用前景十分广泛[7]。例如飞机的机翼引入智能系统后，能响应空气压力和飞行速度而改变其形状；进入太空的灵巧结构上设置了消震系统，能补偿失重，防止金属疲劳；潜水艇能改变形状，消除湍流，使流动的噪声不易被测出而便于隐蔽；金属智能结构材料能自行检测损伤和抑制裂缝扩展，具有自修复功能，确保了结构物的可靠性；高技术汽车中采用了许多灵巧系统，如空气-燃料氧传感器和压电雨滴传感器等，增加了使用功能。其它还有智能水净化装置可感知而且能除去有害污染物；电致变色灵巧窗可响应气候的变化和人的活动，调节热流和采光；智能卫生间能分析尿样，作出早期诊断；智能药物释放体系能响应血糖浓度，释放胰岛素，维持血糖浓度在正常水平。 国外对智能材料研究与开发的趋势是：把智能性材料发展为智能材料系统与结构。这是当前工程学科发展的国际前沿，将给工程材料与结构的发展带来一场革命。国外的城市基础建设中正构思如何应用智能材料构筑对环境变化能作出灵敏反应的楼层、桥梁和大厦等。这是一个系统综合过程，需将新的特性和功能引入现有的结构中。 美国科学家们正在设计各种方法，试图使桥梁、机翼和其它关键结构具有自己的“神经系统”、“肌肉”和“大脑”，使它们能感觉到即将出现的故障并能自行解决。例如在飞机发生故障之前向飞行员发出警报，或在桥梁出现裂痕时能自动修复。他们的方法之一是，在高性能的复合材料中嵌入细小的光纤材料，由于在复合材料中布满了纵横交错的光纤，它们就能像“神经”那样感受到机翼上受到的不同压力，在极端严重的情况下，光纤会断裂，光传输就会中断，于是发出即将出现事故的警告。 1、 智能材料的构思[8] 一种新的概念往往是各种不同观点、概念的综合。智能材料设计的思路与以下几种因素有关：(1)材料开发的历史，结构材料→功能材料→智能材料。(2)人工智能计算机的影响，也就是生物计算机的未来模式、学习计算机、三维识别计算机对材料提出的新要求。(3)从材料设计的角度考虑智能材料的制造。(4)软件功能引入材料。(5)对材料的期望。(6)能量的传递。(7)材料具有时间轴的观点，如寿命预告功能、自修复功能，甚至自学习、自增殖和自净化功能，因外部刺激时间轴可对应作出积极自变的动态响应，即仿照生物体所具有的功能。例如，智能人工骨不仅与生物体相容性良好，而且能依据生物体骨的生长、治愈状况而分解，最后消失。 1．1 仿生与智能材料 智能材料的性能是组成、结构、形态与环境的函数，它具有环境响应性。生物体的最大特点是对环境的适应，从植物、动物到人类均如此。细胞是生物体的基础，可视为具有传感、处理和执行三种功能的融合材料，因而细胞可作为智能材料的蓝本。 对于从单纯物质到复杂物质的研究，可以通过建立模型实现。模型使复杂的生物材料得解，从而创造出仿生智能材料。例如，高分子材料是人工设计的合成材料，在研究时曾借鉴于天然丝的大分子结构，然后合成出了强度更高的尼龙。目前，已根据模拟信息接受功能蛋白质和执行功能蛋白质，创造出由超微观到宏观的各种层次的智能材料。 1．2 智能材料设计 用现有材料组合，并引入多重功能，特别是软件功能，可以得到智能材料。随着信息科学的迅速发展，自动装置(Automaton)不仅用于机器人和计算机这类人工机械，更可用于能条件反射的生物机械。 此自动装置在输入信号(信息)时，能依据过去的输入信号(信息)产生输出信号(信息)。过去输入的信息则能作为内部状态存贮于系统内。因此，自动装置由输入、内部状态、输出三部分组成。将智能材料与自动装置类比，两者的概念是相似的。 自动装置M可用以下6个参数描绘： M＝（θ，X，Y，f，g，θ0） 式中θ为内部状态的集；X和Y分别代表输入和输出信息的集；f表示现在的内部状态因输入信息转变为下一时间内部状态的状态转变系数；g是现在的内部状态因输入信息而输出信息的输出系数；θ0为初期状态的集。 为使材料智能化，可控制其内部状态θ、状态转变系数f及输出系数g。例如对于陶瓷，其θ、f、g的关系，即是材料结构、组成与功能性的关系。设计材料时应考虑这些参数。若使陶瓷的功能提高至智能化，需要控制f和g。 一般陶瓷是微小晶粒聚集成的多晶体，常通过添加微量第二组分控制其特性。此第二组分的本体和微晶粒界两者的性能均影响所得材料特性。 实际上，第二组分的离子引入系统时，其自由能(G=H-TS)发生变化，为使材料的自由能(G)最小，有必要控制焓(H)，使熵(S)达最适合的数值。而熵与添加物的分布有关，因此陶瓷的功能性控制可通过优化熵来实现。熵由材料本身的焓调控。故为使陶瓷具有高功能进而达到智能化的目的，应使材料处于非平衡态、拟平衡态和亚稳定状态。 对于智能材料而言，材料与信息概念具有同一性。而某一L符号的平均信息量Φ与几率P状态的信息量logP有关，即 此式类同于热力学的熵，但符号相反，故称负熵(negcntropy)。因熵为无序性的量度，负熵则是有序性的量度。 1．3 智能材料的创制方法 基于智能材料具有传感、处理和执行的功能，因而其创制实际上是将此类软件功能（信息）引入材料。这类似于身体的信息处理单元——神经原，可融各种功能于一体（图1（a）），将多种软件功能寓于几纳米到数十纳米厚的不同层次结构（图1（b）），使材料智能化。此时材料的性能不仅与其组成、结构、形态有关，更是环境的函数。智能材料的研究与开发涉及金属系、陶瓷系、高分子系和生物系智能材料和系统。 2、 智能无机非金属材料 智能无机非金属材料很多，在此介绍几种较为典型的智能无机非金属材料。 2．1 智能陶瓷 2．1．1 氧化锆增韧陶瓷 氧化锆晶体一般有三种晶型： 其中t-ZrO2转化为m-ZrO2相变具有马氏体相变的特征，并且相变伴随有3%～5%的体积膨胀。不加稳定剂的ZrO2陶瓷在烧结温度冷却的过程中，就会由于发生相变而严重开裂。解决的办法是添加离子半径比Zr小的Ca、Mg、Y等金属的氧化物。 氧化锆相变可分为烧成冷却过程中相变和使用过程中相变。造成相变的原因，前者是温度诱导，后者是应力诱导。两类相变的结果都可使陶瓷增韧。增韧机制主要有相变增韧、微裂纹增韧、表面增韧、裂纹弯曲和偏转增韧等[9]。 当ZrO2晶粒尺寸比较大而稳定剂含量比较小时，陶瓷中的t-ZrO2晶粒在烧成后冷却至室温的过程中发生相变，相变所伴随的体积膨胀在陶瓷内部产生压应力，并在一些区域形成微裂纹。当主裂纹在这样的材料中扩展时，一方面受到上述压应力的作用，裂纹扩展受到阻碍；同时由于原有微裂纹的延伸使主裂纹受阻改向，也吸收了裂纹扩展的能量，提高了材料的强度和韧性。这就是微裂纹增韧。 由于ZrO2相变温度很高，借助温度变化来设计智能材料是不可行的，需要研究应力诱导下的相变增韧，应力诱导下的相变增韧在ZrO2增韧陶瓷中是最主要的一种增韧机制。 材料中的t-ZrO2晶粒在烧成后冷却至室温的过程中仍保持四方相形态，当材料受到外应力的作用时，受应力诱导发生相变，由t相转变为m相。由于ZrO2晶粒相变吸收能量而阻碍裂纹的继续扩展，从而提高了材料的强度和韧性。相转变发生之处的材料组成一般不均匀，因结晶结构的变化，导热和导电率等性能随之而变，这种变化就是材料受到外应力的信号，从而实现了材料的自诊断。 对氧化锆材料压裂而产生裂纹，在300℃热处理50h后，因为t相转变为m相过程中产生的体积膨胀补偿了裂纹空隙，可以再弥合，实现了材料的自修复。 对于材料使用中产生的疲劳强度及膨胀状况等，可通过材料的尺寸、声波传播速度、导热和导电率的变化进行在位观测。 2．1．2灵巧陶瓷 灵巧陶瓷是灵巧材料的一种，它能够感知环境的变化,并通过反馈系统作出相应的反应。用若干多层锆钛酸铅(PZT)可制成录像磁头的自动定位跟踪系统，日本利用PZT压电陶瓷块制成了Pachinko游戏机。 录像磁头的自动定位跟踪系统的原理是：在PZT陶瓷双层悬臂弯曲片上，通过布设的电极将其分为位置感受部分和驱动定位部分。位置感受部分即为传感器，感受电极上所获得的电压通过反馈系统施加到定位电极上，使层片发生弯曲，跟踪录像带上的磁迹，见图2。 Pachinko游戏机也应用了类似的原理。 利用灵巧陶瓷制成的灵巧蒙皮，可以降低飞行器和潜水器高速运动时的噪声，防止发生紊流，以提高运行速度，减少红外辐射达到隐形目的。 根据上述原则，完全有可能获得很灵巧材料。这种材料能够感知环境的多方面变化并能在时间和空间两方面调整材料的一种或多种性能参数，取得最优化响应。因此，传感、执行和反馈是灵巧材料工作的关键功能。 2.1.3压电仿生陶瓷 材料仿生是材料发展的方向之一。日本研究人员正在研究鲸鱼和海豚的尾鳍和飞鸟的鸟翼，希望能研究出象尾鳍和鸟翼那样柔软、能折叠、又很结实的材料。 图3为模拟鱼类泳泡运动的弯曲应力传感器。传感器中两个金属电极之间有一很小的空气室，PZT压电陶瓷起覆盖泳泡肌肉的作用。因空气室的形状类似于新月，故称为“Moonie”复合物。此压电水声器应用特殊形状的电极，通过改变应力方向，使压电应变常数dh增至极大值。当厚的金属电极因声波而承受静水压力时，一部分纵向应力转变为符号相反的径向和切向应力，使压电常数d3l由负值变为正值，它与d33叠加，使dh值增加。这类复合材料的dh•gh值比纯PZT材料的大250倍。 应用PZT纤维复合材料和“Moonie”型复合物设计开发的执行器元件，可以消除因声波造成的稳流。 2．2 智能水泥基材料 在现代社会中，水泥作为基础建筑材料应用极为广泛，使水泥基材料智能化具有良好的应用前景。 智能水泥基材料包括：应力、应变及损伤自检水泥基材料[10～12]；自测温水泥基材料[13]；自动调节环境湿度的水泥基材料[14]；仿生自愈合水泥基材料[15、16]及仿生自生水泥材料[17]等。 水泥基材料中掺加一定形状、尺寸和掺量的短切碳纤维后，材料的电阻变化与其内部结构变化是相对应的。因此，该材料可以监测拉、弯、压等工况及静态和动态载荷作用下材料内部情况。在水泥净浆中0.5%（体积）的碳纤维用做传感器，其灵敏度远远高于一般的电阻应变片。 将一定长度的PAN基短切碳纤维掺入水泥净浆中，材料产生了热电效应。这种材料可以对建筑物内部和周围环境温度的变化实时监测。基于该材料的热电效应，还可能利用太阳能和室内外温差为建筑物供电。如果进一步使该材料具有Seebeck效应的逆效应——Peltier效应，那么就可能制得具有制冷制热材料。 在水泥净浆中掺加多孔材料，利用多孔材料吸湿量与温度的关系，能够使材料具有调湿功能。 一些科学家目前在研制一种能自行愈合的混凝土。设想把大量的空心纤维埋入混凝土中，当混凝土开裂时，事先装有“裂纹修补剂”的空心纤维会裂开，释放出粘结修补剂把裂纹牢牢地粘在一起，防止混凝土断裂。这是一种被动智能材料，即在材科中没有埋入传感器监测裂痕，也没有在材料中埋入电子芯片来“指导”粘接裂开的裂痕。与此原理相同，美国根据动物骨骼的结构和形成机理，尝试仿生水泥基材料的制备。该材料在使用过程中如果发生损伤，多孔有机纤维回释放高聚物愈合损伤。 美国科学家正在研究一种主动智能材料，能使桥梁出现问题时自动加固。他们设计的一种方式是：如果桥梁的某些局部出现问题，桥梁的另一部分就自行加固予以弥补。这一设想在技术上是可行的。随着电脑技术的发展，完全可以制造出极微小的信号传感器和微电子芯片及计算机把这些传感器、微型计算机芯片埋入桥梁材料中。桥梁材料可以用各种神奇的材料构成，例如用形状记忆材料。埋在桥梁材料中的传感器得到某部分材料出现问题的信号，计算机就会发出指令，使事先埋入桥梁材料中的微小液演变成固体而自动加固。 3、结语 目前，智能材料尚处在研究发展阶段，它的发展和社会效应息息相关。飞机失事和重要建筑等结构的损坏，激励着人们对具有自预警、自修复功能的灵巧飞机和材料结构的研究。以材料本身的智能性开发来满足人们对材料、系统和结构的期望，使材料结构能“刚”“柔”结合，以自适应环境的变化。在未来的研究中，应以以下几个方面为重点。 （1）如何利用飞速发展的信息技术成果，将软件功能引入材料、系统和结构中； （2）进一步加强探索型理论研究及材料复合智能化的机理研究，加速发展智能材料科学； （3）加强应用基础研究。
未来科学技术的发展，对各种无机非金属材料，尤其是对特种新型材料提出更多更高的要求。材料学科有广阔的发展前景，复合材料、定向结晶材料、增韧陶瓷以及各种类型的表面处理和涂层的使用，将使材料的效能得到更大发挥。由于对材料科学基础研究的日益深入，各种精密测试分析技术的发展，将有助于按预定性能设计材料的原子或分子组成及结构形态的早日实现。
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由于智能材料和系统的性能可随环境而变化，其应用前景十分广泛[7]。例如飞机的机翼引入智能系统后，能响应空气压力和飞行速度而改变其形状；进入太空的灵巧结构上设置了消震系统，能补偿失重，防止金属疲劳；潜水艇能改变形状，消除湍流，使流动的噪声不易被测出而便于隐蔽；金属智能结构材料能自行检测损伤和抑制裂缝扩展，具有自修复功能，确保了结构物的可靠性；高技术汽车中采用了许多灵巧系统，如空气-燃料氧传感器和压电雨滴传感器等，增加了使用功能。其它还有智能水净化装置可感知而且能除去有害污染物；电致变色灵巧窗可响应气候的变化和人的活动，调节热流和采光；智能卫生间能分析尿样，作出早期诊断；智能药物释放体系能响应血糖浓度，释放胰岛素，维持血糖浓度在正常水平。 国外对智能材料研究与开发的趋势是：把智能性材料发展为智能材料系统与结构。这是当前工程学科发展的国际前沿，将给工程材料与结构的发展带来一场革命。国外的城市基础建设中正构思如何应用智能材料构筑对环境变化能作出灵敏反应的楼层、桥梁和大厦等。这是一个系统综合过程，需将新的特性和功能引入现有的结构中。 美国科学家们正在设计各种方法，试图使桥梁、机翼和其它关键结构具有自己的“神经系统”、“肌肉”和“大脑”，使它们能感觉到即将出现的故障并能自行解决。例如在飞机发生故障之前向飞行员发出警报，或在桥梁出现裂痕时能自动修复。他们的方法之一是，在高性能的复合材料中嵌入细小的光纤材料，由于在复合材料中布满了纵横交错的光纤，它们就能像“神经”那样感受到机翼上受到的不同压力，在极端严重的情况下，光纤会断裂，光传输就会中断，于是发出即将出现事故的警告。 1、 智能材料的构思[8] 一种新的概念往往是各种不同观点、概念的综合。智能材料设计的思路与以下几种因素有关：(1)材料开发的历史，结构材料→功能材料→智能材料。(2)人工智能计算机的影响，也就是生物计算机的未来模式、学习计算机、三维识别计算机对材料提出的新要求。(3)从材料设计的角度考虑智能材料的制造。(4)软件功能引入材料。(5)对材料的期望。(6)能量的传递。(7)材料具有时间轴的观点，如寿命预告功能、自修复功能，甚至自学习、自增殖和自净化功能，因外部刺激时间轴可对应作出积极自变的动态响应，即仿照生物体所具有的功能。例如，智能人工骨不仅与生物体相容性良好，而且能依据生物体骨的生长、治愈状况而分解，最后消失。 1．1 仿生与智能材料 智能材料的性能是组成、结构、形态与环境的函数，它具有环境响应性。生物体的最大特点是对环境的适应，从植物、动物到人类均如此。细胞是生物体的基础，可视为具有传感、处理和执行三种功能的融合材料，因而细胞可作为智能材料的蓝本。 对于从单纯物质到复杂物质的研究，可以通过建立模型实现。模型使复杂的生物材料得解，从而创造出仿生智能材料。例如，高分子材料是人工设计的合成材料，在研究时曾借鉴于天然丝的大分子结构，然后合成出了强度更高的尼龙。目前，已根据模拟信息接受功能蛋白质和执行功能蛋白质，创造出由超微观到宏观的各种层次的智能材料。 1．2 智能材料设计 用现有材料组合，并引入多重功能，特别是软件功能，可以得到智能材料。随着信息科学的迅速发展，自动装置(Automaton)不仅用于机器人和计算机这类人工机械，更可用于能条件反射的生物机械。 此自动装置在输入信号(信息)时，能依据过去的输入信号(信息)产生输出信号(信息)。过去输入的信息则能作为内部状态存贮于系统内。因此，自动装置由输入、内部状态、输出三部分组成。将智能材料与自动装置类比，两者的概念是相似的。 自动装置M可用以下6个参数描绘： M＝（θ，X，Y，f，g，θ0） 式中θ为内部状态的集；X和Y分别代表输入和输出信息的集；f表示现在的内部状态因输入信息转变为下一时间内部状态的状态转变系数；g是现在的内部状态因输入信息而输出信息的输出系数；θ0为初期状态的集。 为使材料智能化，可控制其内部状态θ、状态转变系数f及输出系数g。例如对于陶瓷，其θ、f、g的关系，即是材料结构、组成与功能性的关系。设计材料时应考虑这些参数。若使陶瓷的功能提高至智能化，需要控制f和g。 一般陶瓷是微小晶粒聚集成的多晶体，常通过添加微量第二组分控制其特性。此第二组分的本体和微晶粒界两者的性能均影响所得材料特性。 实际上，第二组分的离子引入系统时，其自由能(G=H-TS)发生变化，为使材料的自由能(G)最小，有必要控制焓(H)，使熵(S)达最适合的数值。而熵与添加物的分布有关，因此陶瓷的功能性控制可通过优化熵来实现。熵由材料本身的焓调控。故为使陶瓷具有高功能进而达到智能化的目的，应使材料处于非平衡态、拟平衡态和亚稳定状态。 对于智能材料而言，材料与信息概念具有同一性。而某一L符号的平均信息量Φ与几率P状态的信息量logP有关，即 此式类同于热力学的熵，但符号相反，故称负熵(negcntropy)。因熵为无序性的量度，负熵则是有序性的量度。 1．3 智能材料的创制方法 基于智能材料具有传感、处理和执行的功能，因而其创制实际上是将此类软件功能（信息）引入材料。这类似于身体的信息处理单元——神经原，可融各种功能于一体（图1（a）），将多种软件功能寓于几纳米到数十纳米厚的不同层次结构（图1（b）），使材料智能化。此时材料的性能不仅与其组成、结构、形态有关，更是环境的函数。智能材料的研究与开发涉及金属系、陶瓷系、高分子系和生物系智能材料和系统。 2、 智能无机非金属材料 智能无机非金属材料很多，在此介绍几种较为典型的智能无机非金属材料。 2．1 智能陶瓷 2．1．1 氧化锆增韧陶瓷 氧化锆晶体一般有三种晶型： 其中t-ZrO2转化为m-ZrO2相变具有马氏体相变的特征，并且相变伴随有3%～5%的体积膨胀。不加稳定剂的ZrO2陶瓷在烧结温度冷却的过程中，就会由于发生相变而严重开裂。解决的办法是添加离子半径比Zr小的Ca、Mg、Y等金属的氧化物。 氧化锆相变可分为烧成冷却过程中相变和使用过程中相变。造成相变的原因，前者是温度诱导，后者是应力诱导。两类相变的结果都可使陶瓷增韧。增韧机制主要有相变增韧、微裂纹增韧、表面增韧、裂纹弯曲和偏转增韧等[9]。 当ZrO2晶粒尺寸比较大而稳定剂含量比较小时，陶瓷中的t-ZrO2晶粒在烧成后冷却至室温的过程中发生相变，相变所伴随的体积膨胀在陶瓷内部产生压应力，并在一些区域形成微裂纹。当主裂纹在这样的材料中扩展时，一方面受到上述压应力的作用，裂纹扩展受到阻碍；同时由于原有微裂纹的延伸使主裂纹受阻改向，也吸收了裂纹扩展的能量，提高了材料的强度和韧性。这就是微裂纹增韧。 由于ZrO2相变温度很高，借助温度变化来设计智能材料是不可行的，需要研究应力诱导下的相变增韧，应力诱导下的相变增韧在ZrO2增韧陶瓷中是最主要的一种增韧机制。 材料中的t-ZrO2晶粒在烧成后冷却至室温的过程中仍保持四方相形态，当材料受到外应力的作用时，受应力诱导发生相变，由t相转变为m相。由于ZrO2晶粒相变吸收能量而阻碍裂纹的继续扩展，从而提高了材料的强度和韧性。相转变发生之处的材料组成一般不均匀，因结晶结构的变化，导热和导电率等性能随之而变，这种变化就是材料受到外应力的信号，从而实现了材料的自诊断。 对氧化锆材料压裂而产生裂纹，在300℃热处理50h后，因为t相转变为m相过程中产生的体积膨胀补偿了裂纹空隙，可以再弥合，实现了材料的自修复。 对于材料使用中产生的疲劳强度及膨胀状况等，可通过材料的尺寸、声波传播速度、导热和导电率的变化进行在位观测。 2．1．2灵巧陶瓷 灵巧陶瓷是灵巧材料的一种，它能够感知环境的变化,并通过反馈系统作出相应的反应。用若干多层锆钛酸铅(PZT)可制成录像磁头的自动定位跟踪系统，日本利用PZT压电陶瓷块制成了Pachinko游戏机。 录像磁头的自动定位跟踪系统的原理是：在PZT陶瓷双层悬臂弯曲片上，通过布设的电极将其分为位置感受部分和驱动定位部分。位置感受部分即为传感器，感受电极上所获得的电压通过反馈系统施加到定位电极上，使层片发生弯曲，跟踪录像带上的磁迹，见图2。 Pachinko游戏机也应用了类似的原理。 利用灵巧陶瓷制成的灵巧蒙皮，可以降低飞行器和潜水器高速运动时的噪声，防止发生紊流，以提高运行速度，减少红外辐射达到隐形目的。 根据上述原则，完全有可能获得很灵巧材料。这种材料能够感知环境的多方面变化并能在时间和空间两方面调整材料的一种或多种性能参数，取得最优化响应。因此，传感、执行和反馈是灵巧材料工作的关键功能。 2.1.3压电仿生陶瓷 材料仿生是材料发展的方向之一。日本研究人员正在研究鲸鱼和海豚的尾鳍和飞鸟的鸟翼，希望能研究出象尾鳍和鸟翼那样柔软、能折叠、又很结实的材料。 图3为模拟鱼类泳泡运动的弯曲应力传感器。传感器中两个金属电极之间有一很小的空气室，PZT压电陶瓷起覆盖泳泡肌肉的作用。因空气室的形状类似于新月，故称为“Moonie”复合物。此压电水声器应用特殊形状的电极，通过改变应力方向，使压电应变常数dh增至极大值。当厚的金属电极因声波而承受静水压力时，一部分纵向应力转变为符号相反的径向和切向应力，使压电常数d3l由负值变为正值，它与d33叠加，使dh值增加。这类复合材料的dh•gh值比纯PZT材料的大250倍。 应用PZT纤维复合材料和“Moonie”型复合物设计开发的执行器元件，可以消除因声波造成的稳流。 2．2 智能水泥基材料 在现代社会中，水泥作为基础建筑材料应用极为广泛，使水泥基材料智能化具有良好的应用前景。 智能水泥基材料包括：应力、应变及损伤自检水泥基材料[10～12]；自测温水泥基材料[13]；自动调节环境湿度的水泥基材料[14]；仿生自愈合水泥基材料[15、16]及仿生自生水泥材料[17]等。 水泥基材料中掺加一定形状、尺寸和掺量的短切碳纤维后，材料的电阻变化与其内部结构变化是相对应的。因此，该材料可以监测拉、弯、压等工况及静态和动态载荷作用下材料内部情况。在水泥净浆中0.5%（体积）的碳纤维用做传感器，其灵敏度远远高于一般的电阻应变片。 将一定长度的PAN基短切碳纤维掺入水泥净浆中，材料产生了热电效应。这种材料可以对建筑物内部和周围环境温度的变化实时监测。基于该材料的热电效应，还可能利用太阳能和室内外温差为建筑物供电。如果进一步使该材料具有Seebeck效应的逆效应——Peltier效应，那么就可能制得具有制冷制热材料。 在水泥净浆中掺加多孔材料，利用多孔材料吸湿量与温度的关系，能够使材料具有调湿功能。 一些科学家目前在研制一种能自行愈合的混凝土。设想把大量的空心纤维埋入混凝土中，当混凝土开裂时，事先装有“裂纹修补剂”的空心纤维会裂开，释放出粘结修补剂把裂纹牢牢地粘在一起，防止混凝土断裂。这是一种被动智能材料，即在材科中没有埋入传感器监测裂痕，也没有在材料中埋入电子芯片来“指导”粘接裂开的裂痕。与此原理相同，美国根据动物骨骼的结构和形成机理，尝试仿生水泥基材料的制备。该材料在使用过程中如果发生损伤，多孔有机纤维回释放高聚物愈合损伤。 美国科学家正在研究一种主动智能材料，能使桥梁出现问题时自动加固。他们设计的一种方式是：如果桥梁的某些局部出现问题，桥梁的另一部分就自行加固予以弥补。这一设想在技术上是可行的。随着电脑技术的发展，完全可以制造出极微小的信号传感器和微电子芯片及计算机把这些传感器、微型计算机芯片埋入桥梁材料中。桥梁材料可以用各种神奇的材料构成，例如用形状记忆材料。埋在桥梁材料中的传感器得到某部分材料出现问题的信号，计算机就会发出指令，使事先埋入桥梁材料中的微小液演变成固体而自动加固。 3、结语 目前，智能材料尚处在研究发展阶段，它的发展和社会效应息息相关。飞机失事和重要建筑等结构的损坏，激励着人们对具有自预警、自修复功能的灵巧飞机和材料结构的研究。以材料本身的智能性开发来满足人们对材料、系统和结构的期望，使材料结构能“刚”“柔”结合，以自适应环境的变化。在未来的研究中，应以以下几个方面为重点。 （1）如何利用飞速发展的信息技术成果，将软件功能引入材料、系统和结构中； （2）进一步加强探索型理论研究及材料复合智能化的机理研究，加速发展智能材料科学； （3）加强应用基础研究。
上中国知网，或者豆丁上下..很多的...智能无机非金属材料摘 要 结构材料所处的环境极为复杂，材料损坏引起事故的危险性不断增加，研究与开发对损坏能自行诊断并具有自修复能力的结构材料是十分重要而急迫的任务。本文对智能材料的发展、构思、无机非金属智能材料进行了综述，对智能材料进一步研究进行了展望。 关键词 智能；无机非金属；材料 智能材料是指对环境具有可感知、可响应并具有功能发现能力的新材料。日本高木俊宜教授[1]将信息科学融于材料的物性和功能，于1989年提出了智能材料（Intelligent materials）概念。至此智能材料与结构的研究也开始由航空航天及军事部门[2,3]逐渐扩展到土木工程[4]、医药、体育和日常用品[5,6]等其他领域。 同时，美国的R•E•Newnham教授围绕具有传感和执行功能的材料提出了灵巧材料（Smart materials）概念，又有人称之为机敏材料。他将灵巧材料分为三类： 被动灵巧材料——仅能响应外界变化的材料； 主动灵巧材料——不仅能识别外界的变化，经执行线路能诱发反馈回路，而且响应环境变化的材料； 很灵巧材料——有感知、执行功能，并能响应环境变化，从而改变性能系数的材料。 R•E•Newnham的灵巧材料和高木俊宜的智能材料概念的共同之处是：材料对环境的响应性。 自l989年以来，先是在日本、美国，尔后是西欧，进而世界各国的材料界均开始研究智能材料。科学家们研究将必要的仿生(biominetic)功能引入材料，使材料和系统达到更高的层次，成为具有自检测、自判断、自结论、自指令和执行功能的新材料。智能结构常常把高技术传感器或敏感元件与传统结构材料和功能材料结合在一起，赋予材料崭新的性能，使无生命的材料变得有了“感觉”和“知觉”，能适应环境的变化，不仅能发现问题，而且还能自行解决问题。 由于智能材料和系统的性能可随环境而变化，其应用前景十分广泛[7]。例如飞机的机翼引入智能系统后，能响应空气压力和飞行速度而改变其形状；进入太空的灵巧结构上设置了消震系统，能补偿失重，防止金属疲劳；潜水艇能改变形状，消除湍流，使流动的噪声不易被测出而便于隐蔽；金属智能结构材料能自行检测损伤和抑制裂缝扩展，具有自修复功能，确保了结构物的可靠性；高技术汽车中采用了许多灵巧系统，如空气-燃料氧传感器和压电雨滴传感器等，增加了使用功能。其它还有智能水净化装置可感知而且能除去有害污染物；电致变色灵巧窗可响应气候的变化和人的活动，调节热流和采光；智能卫生间能分析尿样，作出早期诊断；智能药物释放体系能响应血糖浓度，释放胰岛素，维持血糖浓度在正常水平。 国外对智能材料研究与开发的趋势是：把智能性材料发展为智能材料系统与结构。这是当前工程学科发展的国际前沿，将给工程材料与结构的发展带来一场革命。国外的城市基础建设中正构思如何应用智能材料构筑对环境变化能作出灵敏反应的楼层、桥梁和大厦等。这是一个系统综合过程，需将新的特性和功能引入现有的结构中。 美国科学家们正在设计各种方法，试图使桥梁、机翼和其它关键结构具有自己的“神经系统”、“肌肉”和“大脑”，使它们能感觉到即将出现的故障并能自行解决。例如在飞机发生故障之前向飞行员发出警报，或在桥梁出现裂痕时能自动修复。他们的方法之一是，在高性能的复合材料中嵌入细小的光纤材料，由于在复合材料中布满了纵横交错的光纤，它们就能像“神经”那样感受到机翼上受到的不同压力，在极端严重的情况下，光纤会断裂，光传输就会中断，于是发出即将出现事故的警告。 1、 智能材料的构思[8] 一种新的概念往往是各种不同观点、概念的综合。智能材料设计的思路与以下几种因素有关：(1)材料开发的历史，结构材料→功能材料→智能材料。(2)人工智能计算机的影响，也就是生物计算机的未来模式、学习计算机、三维识别计算机对材料提出的新要求。(3)从材料设计的角度考虑智能材料的制造。(4)软件功能引入材料。(5)对材料的期望。(6)能量的传递。(7)材料具有时间轴的观点，如寿命预告功能、自修复功能，甚至自学习、自增殖和自净化功能，因外部刺激时间轴可对应作出积极自变的动态响应，即仿照生物体所具有的功能。例如，智能人工骨不仅与生物体相容性良好，而且能依据生物体骨的生长、治愈状况而分解，最后消失。 1．1 仿生与智能材料 智能材料的性能是组成、结构、形态与环境的函数，它具有环境响应性。生物体的最大特点是对环境的适应，从植物、动物到人类均如此。细胞是生物体的基础，可视为具有传感、处理和执行三种功能的融合材料，因而细胞可作为智能材料的蓝本。 对于从单纯物质到复杂物质的研究，可以通过建立模型实现。模型使复杂的生物材料得解，从而创造出仿生智能材料。例如，高分子材料是人工设计的合成材料，在研究时曾借鉴于天然丝的大分子结构，然后合成出了强度更高的尼龙。目前，已根据模拟信息接受功能蛋白质和执行功能蛋白质，创造出由超微观到宏观的各种层次的智能材料。 1．2 智能材料设计 用现有材料组合，并引入多重功能，特别是软件功能，可以得到智能材料。随着信息科学的迅速发展，自动装置(Automaton)不仅用于机器人和计算机这类人工机械，更可用于能条件反射的生物机械。 此自动装置在输入信号(信息)时，能依据过去的输入信号(信息)产生输出信号(信息)。过去输入的信息则能作为内部状态存贮于系统内。因此，自动装置由输入、内部状态、输出三部分组成。将智能材料与自动装置类比，两者的概念是相似的。 自动装置M可用以下6个参数描绘： M＝（θ，X，Y，f，g，θ0） 式中θ为内部状态的集；X和Y分别代表输入和输出信息的集；f表示现在的内部状态因输入信息转变为下一时间内部状态的状态转变系数；g是现在的内部状态因输入信息而输出信息的输出系数；θ0为初期状态的集。 为使材料智能化，可控制其内部状态θ、状态转变系数f及输出系数g。例如对于陶瓷，其θ、f、g的关系，即是材料结构、组成与功能性的关系。设计材料时应考虑这些参数。若使陶瓷的功能提高至智能化，需要控制f和g。 一般陶瓷是微小晶粒聚集成的多晶体，常通过添加微量第二组分控制其特性。此第二组分的本体和微晶粒界两者的性能均影响所得材料特性。 实际上，第二组分的离子引入系统时，其自由能(G=H-TS)发生变化，为使材料的自由能(G)最小，有必要控制焓(H)，使熵(S)达最适合的数值。而熵与添加物的分布有关，因此陶瓷的功能性控制可通过优化熵来实现。熵由材料本身的焓调控。故为使陶瓷具有高功能进而达到智能化的目的，应使材料处于非平衡态、拟平衡态和亚稳定状态。 对于智能材料而言，材料与信息概念具有同一性。而某一L符号的平均信息量Φ与几率P状态的信息量logP有关，即 此式类同于热力学的熵，但符号相反，故称负熵(negcntropy)。因熵为无序性的量度，负熵则是有序性的量度。 1．3 智能材料的创制方法 基于智能材料具有传感、处理和执行的功能，因而其创制实际上是将此类软件功能（信息）引入材料。这类似于身体的信息处理单元——神经原，可融各种功能于一体（图1（a）），将多种软件功能寓于几纳米到数十纳米厚的不同层次结构（图1（b）），使材料智能化。此时材料的性能不仅与其组成、结构、形态有关，更是环境的函数。智能材料的研究与开发涉及金属系、陶瓷系、高分子系和生物系智能材料和系统。 2、 智能无机非金属材料 智能无机非金属材料很多，在此介绍几种较为典型的智能无机非金属材料。 2．1 智能陶瓷 2．1．1 氧化锆增韧陶瓷 氧化锆晶体一般有三种晶型： 其中t-ZrO2转化为m-ZrO2相变具有马氏体相变的特征，并且相变伴随有3%～5%的体积膨胀。不加稳定剂的ZrO2陶瓷在烧结温度冷却的过程中，就会由于发生相变而严重开裂。解决的办法是添加离子半径比Zr小的Ca、Mg、Y等金属的氧化物。 氧化锆相变可分为烧成冷却过程中相变和使用过程中相变。造成相变的原因，前者是温度诱导，后者是应力诱导。两类相变的结果都可使陶瓷增韧。增韧机制主要有相变增韧、微裂纹增韧、表面增韧、裂纹弯曲和偏转增韧等[9]。 当ZrO2晶粒尺寸比较大而稳定剂含量比较小时，陶瓷中的t-ZrO2晶粒在烧成后冷却至室温的过程中发生相变，相变所伴随的体积膨胀在陶瓷内部产生压应力，并在一些区域形成微裂纹。当主裂纹在这样的材料中扩展时，一方面受到上述压应力的作用，裂纹扩展受到阻碍；同时由于原有微裂纹的延伸使主裂纹受阻改向，也吸收了裂纹扩展的能量，提高了材料的强度和韧性。这就是微裂纹增韧。 由于ZrO2相变温度很高，借助温度变化来设计智能材料是不可行的，需要研究应力诱导下的相变增韧，应力诱导下的相变增韧在ZrO2增韧陶瓷中是最主要的一种增韧机制。 材料中的t-ZrO2晶粒在烧成后冷却至室温的过程中仍保持四方相形态，当材料受到外应力的作用时，受应力诱导发生相变，由t相转变为m相。由于ZrO2晶粒相变吸收能量而阻碍裂纹的继续扩展，从而提高了材料的强度和韧性。相转变发生之处的材料组成一般不均匀，因结晶结构的变化，导热和导电率等性能随之而变，这种变化就是材料受到外应力的信号，从而实现了材料的自诊断。 对氧化锆材料压裂而产生裂纹，在300℃热处理50h后，因为t相转变为m相过程中产生的体积膨胀补偿了裂纹空隙，可以再弥合，实现了材料的自修复。 对于材料使用中产生的疲劳强度及膨胀状况等，可通过材料的尺寸、声波传播速度、导热和导电率的变化进行在位观测。 2．1．2灵巧陶瓷 灵巧陶瓷是灵巧材料的一种，它能够感知环境的变化,并通过反馈系统作出相应的反应。用若干多层锆钛酸铅(PZT)可制成录像磁头的自动定位跟踪系统，日本利用PZT压电陶瓷块制成了Pachinko游戏机。 录像磁头的自动定位跟踪系统的原理是：在PZT陶瓷双层悬臂弯曲片上，通过布设的电极将其分为位置感受部分和驱动定位部分。位置感受部分即为传感器，感受电极上所获得的电压通过反馈系统施加到定位电极上，使层片发生弯曲，跟踪录像带上的磁迹，见图2。 Pachinko游戏机也应用了类似的原理。 利用灵巧陶瓷制成的灵巧蒙皮，可以降低飞行器和潜水器高速运动时的噪声，防止发生紊流，以提高运行速度，减少红外辐射达到隐形目的。 根据上述原则，完全有可能获得很灵巧材料。这种材料能够感知环境的多方面变化并能在时间和空间两方面调整材料的一种或多种性能参数，取得最优化响应。因此，传感、执行和反馈是灵巧材料工作的关键功能。 2.1.3压电仿生陶瓷 材料仿生是材料发展的方向之一。日本研究人员正在研究鲸鱼和海豚的尾鳍和飞鸟的鸟翼，希望能研究出象尾鳍和鸟翼那样柔软、能折叠、又很结实的材料。 图3为模拟鱼类泳泡运动的弯曲应力传感器。传感器中两个金属电极之间有一很小的空气室，PZT压电陶瓷起覆盖泳泡肌肉的作用。因空气室的形状类似于新月，故称为“Moonie”复合物。此压电水声器应用特殊形状的电极，通过改变应力方向，使压电应变常数dh增至极大值。当厚的金属电极因声波而承受静水压力时，一部分纵向应力转变为符号相反的径向和切向应力，使压电常数d3l由负值变为正值，它与d33叠加，使dh值增加。这类复合材料的dh•gh值比纯PZT材料的大250倍。 应用PZT纤维复合材料和“Moonie”型复合物设计开发的执行器元件，可以消除因声波造成的稳流。 2．2 智能水泥基材料 在现代社会中，水泥作为基础建筑材料应用极为广泛，使水泥基材料智能化具有良好的应用前景。 智能水泥基材料包括：应力、应变及损伤自检水泥基材料[10～12]；自测温水泥基材料[13]；自动调节环境湿度的水泥基材料[14]；仿生自愈合水泥基材料[15、16]及仿生自生水泥材料[17]等。 水泥基材料中掺加一定形状、尺寸和掺量的短切碳纤维后，材料的电阻变化与其内部结构变化是相对应的。因此，该材料可以监测拉、弯、压等工况及静态和动态载荷作用下材料内部情况。在水泥净浆中0.5%（体积）的碳纤维用做传感器，其灵敏度远远高于一般的电阻应变片。 将一定长度的PAN基短切碳纤维掺入水泥净浆中，材料产生了热电效应。这种材料可以对建筑物内部和周围环境温度的变化实时监测。基于该材料的热电效应，还可能利用太阳能和室内外温差为建筑物供电。如果进一步使该材料具有Seebeck效应的逆效应——Peltier效应，那么就可能制得具有制冷制热材料。 在水泥净浆中掺加多孔材料，利用多孔材料吸湿量与温度的关系，能够使材料具有调湿功能。 一些科学家目前在研制一种能自行愈合的混凝土。设想把大量的空心纤维埋入混凝土中，当混凝土开裂时，事先装有“裂纹修补剂”的空心纤维会裂开，释放出粘结修补剂把裂纹牢牢地粘在一起，防止混凝土断裂。这是一种被动智能材料，即在材科中没有埋入传感器监测裂痕，也没有在材料中埋入电子芯片来“指导”粘接裂开的裂痕。与此原理相同，美国根据动物骨骼的结构和形成机理，尝试仿生水泥基材料的制备。该材料在使用过程中如果发生损伤，多孔有机纤维回释放高聚物愈合损伤。 美国科学家正在研究一种主动智能材料，能使桥梁出现问题时自动加固。他们设计的一种方式是：如果桥梁的某些局部出现问题，桥梁的另一部分就自行加固予以弥补。这一设想在技术上是可行的。随着电脑技术的发展，完全可以制造出极微小的信号传感器和微电子芯片及计算机把这些传感器、微型计算机芯片埋入桥梁材料中。桥梁材料可以用各种神奇的材料构成，例如用形状记忆材料。埋在桥梁材料中的传感器得到某部分材料出现问题的信号，计算机就会发出指令，使事先埋入桥梁材料中的微小液演变成固体而自动加固。 3、结语 目前，智能材料尚处在研究发展阶段，它的发展和社会效应息息相关。飞机失事和重要建筑等结构的损坏，激励着人们对具有自预警、自修复功能的灵巧飞机和材料结构的研究。以材料本身的智能性开发来满足人们对材料、系统和结构的期望，使材料结构能“刚”“柔”结合，以自适应环境的变化。在未来的研究中，应以以下几个方面为重点。 （1）如何利用飞速发展的信息技术成果，将软件功能引入材料、系统和结构中； （2）进一步加强探索型理论研究及材料复合智能化的机理研究，加速发展智能材料科学； （3）加强应用基础研究。
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用高温固相反应由锆矿石粉制备锆质颜料锆质颜料是陶瓷、搪瓷、玻璃工业应用较广泛的高温无机颜料 因为它具有非常稳定的晶型结构，所以具有耐高温，物化性能稳定、着色力强等优点。我国锆质颜料主要是用品位较高的氧化锫，二氧化硅与着色元素人工合成的。用这种方怯生产的锫质颜料，成本太高。据《日本特许公报》昭47—8699报道，锆质颜料可用锆英石矿粉按特定的工艺条件直接合成。实验结果表明， 用锆英石矿粉直接合成的无机锆质颜料质置达到国内外同类产品水平。而其生产成本比用原法生产的产品成倍降低。用锆英石矿粉直接合成无机锆质颜料采用的工艺流程如图---------高温固相反应由锆矿石粉制备锆质颜料的工艺流程 主要原料有(1)锫英石： ZrO：≥60 ，工业级，广东等地产。 (2)纯碱I Na 2CO 3／>95 ，工业级，大连等地产。(3) 硫酸2 H 2SO‘／>90％ ， 工业级，全国各地产。(4)氧化镨2 Pr日OI1>／90％，工业级内蒙、上海等地产。(5)五氧化二钒： V O ≥96 ，工业级， 湖南等地产。(6)铁红；Fe O。≥96 ， 工业级， 湖南等地产。(7)铬绿：Cr O。≥96 ， 工业级， 湖南等地产。(8)氧化铺：C0~70 ， 工业级， 广东， 湖南等地产。锆质颜料的色域非常广泛， 在氧化锆，二氧化硅形成锆英石晶型结构的同时，5【入上述原料(4)一(8)中的一种，则可制备黄、蓝、红、绿、青等不同色调的锆质颜料。本方法的不同之处在于：所用的基术原料锆英石矿粉本身就具有稳定的晶型结构，简单地加入着色离子是不能制备锆质颜料的。也就是说巳具有稳定晶型结构的锆英石不能再着色，所以， 首先必须破坏其晶型结构。具体做法是，在锆英石矿粉中加入一定量的纯碱，在高温下使混台物发生固相反应生成一种易被无机酸分解的中间物质，然后加入一定量的无机酸处理之， 使之分解并生成一种能与着色离子发生固相反应的混合物。此种混合物巳不具有锆英石晶型，在此种混合物中加入着色元素错、钒、铁、铬、钻等的氧化物或盐类及一定量的矿化剂， 高温下物料发生固相反应生成着色的锆英石固溶体。采用APD一10全自动x射线衍射仪对合成的锫质颜料颗粒进行晶型结构分析，测定条件为工作电压40kVt，工作电流20mAt步选扫描20，20。一80℃铜靶。测定结果表明 锫质颜料试样为锆英石晶型结构，无杂质相生成， 纯度较高。将小样与其他样品进行了质量对比，数据表明， 锆质颜料的各项技术指标已达到国内同类产品水平，其中耐温性高于国内水平。锆英石是一种非常稳定的矿物质， 只有在1530~高温下才能分解。考虑到工业化生产，宜尽量在较低的温度下破坏其晶型结构， 我们在锆英石中加入一定量的纯碱， 以使其在850"C～1IO0~C温度下发生固相反应。通过大量的实验证明， 锆英石与纯碱的比例不同，其反应温度亦不相同合成无机颜料时，加入矿化剂的作用主要是使颜料的晶型结构在较低的温度下形成。不仅如此，加入相应的矿化。剂能使着色离子的价态发生变化，使所需要的颜色离子顺利进入颜料晶格。在一定范围内着色离子加入量与颜料的颜色深浅成正比。合成锆质颜料时， 着色元素的加入量是有一定范围的。在此范围内，着色离子加入量与颜料颜色的深浅成正比。但着色离子不能无限量增加， 不同的着色离子对锆离子和硅离子有一定的取代份数， 超过了这个取代份数，就会产生过剩的着色离子，从而影响颜料质量。
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用高温固相反应由锆矿石粉制备锆质颜料锆质颜料是陶瓷、搪瓷、玻璃工业应用较广泛的高温无机颜料 因为它具有非常稳定的晶型结构，所以具有耐高温，物化性能稳定、着色力强等优点。我国锆质颜料主要是用品位较高的氧化锫，二氧化硅与着色元素人工合成的。用这种方怯生产的锫质颜料，成本太高。据《日本特许公报》昭47—8699报道，锆质颜料可用锆英石矿粉按特定的工艺条件直接合成。实验结果表明， 用锆英石矿粉直接合成的无机锆质颜料质置达到国内外同类产品水平。而其生产成本比用原法生产的产品成倍降低。用锆英石矿粉直接合成无机锆质颜料采用的工艺流程如图---------高温固相反应由锆矿石粉制备锆质颜料的工艺流程 主要原料有(1)锫英石： ZrO：≥60 ，工业级，广东等地产。 (2)纯碱I Na 2CO 3／>95 ，工业级，大连等地产。(3) 硫酸2 H 2SO‘／>90％ ， 工业级，全国各地产。(4)氧化镨2 Pr日OI1>／90％，工业级内蒙、上海等地产。(5)五氧化二钒： V O ≥96 ，工业级， 湖南等地产。(6)铁红；Fe O。≥96 ， 工业级， 湖南等地产。(7)铬绿：Cr O。≥96 ， 工业级， 湖南等地产。(8)氧化铺：C0~70 ， 工业级， 广东， 湖南等地产。锆质颜料的色域非常广泛， 在氧化锆，二氧化硅形成锆英石晶型结构的同时，5【入上述原料(4)一(8)中的一种，则可制备黄、蓝、红、绿、青等不同色调的锆质颜料。本方法的不同之处在于：所用的基术原料锆英石矿粉本身就具有稳定的晶型结构，简单地加入着色离子是不能制备锆质颜料的。也就是说巳具有稳定晶型结构的锆英石不能再着色，所以， 首先必须破坏其晶型结构。具体做法是，在锆英石矿粉中加入一定量的纯碱，在高温下使混台物发生固相反应生成一种易被无机酸分解的中间物质，然后加入一定量的无机酸处理之， 使之分解并生成一种能与着色离子发生固相反应的混合物。此种混合物巳不具有锆英石晶型，在此种混合物中加入着色元素错、钒、铁、铬、钻等的氧化物或盐类及一定量的矿化剂， 高温下物料发生固相反应生成着色的锆英石固溶体。采用APD一10全自动x射线衍射仪对合成的锫质颜料颗粒进行晶型结构分析，测定条件为工作电压40kVt，工作电流20mAt步选扫描20，20。一80℃铜靶。测定结果表明 锫质颜料试样为锆英石晶型结构，无杂质相生成， 纯度较高。将小样与其他样品进行了质量对比，数据表明， 锆质颜料的各项技术指标已达到国内同类产品水平，其中耐温性高于国内水平。锆英石是一种非常稳定的矿物质， 只有在1530~高温下才能分解。考虑到工业化生产，宜尽量在较低的温度下破坏其晶型结构， 我们在锆英石中加入一定量的纯碱， 以使其在850"C～1IO0~C温度下发生固相反应。通过大量的实验证明， 锆英石与纯碱的比例不同，其反应温度亦不相同合成无机颜料时，加入矿化剂的作用主要是使颜料的晶型结构在较低的温度下形成。不仅如此，加入相应的矿化。剂能使着色离子的价态发生变化，使所需要的颜色离子顺利进入颜料晶格。在一定范围内着色离子加入量与颜料的颜色深浅成正比。合成锆质颜料时， 着色元素的加入量是有一定范围的。在此范围内，着色离子加入量与颜料颜色的深浅成正比。但着色离子不能无限量增加， 不同的着色离子对锆离子和硅离子有一定的取代份数， 超过了这个取代份数，就会产生过剩的着色离子，从而影响颜料质量。
未来科学技术的发展，对各种无机非金属材料，尤其是对特种新型材料提出更多更高的要求。材料学科有广阔的发展前景，复合材料、定向结晶材料、增韧陶瓷以及各种类型的表面处理和涂层的使用，将使材料的效能得到更大发挥。由于对材料科学基础研究的日益深入，各种精密测试分析技术的发展，将有助于按预定性能设计材料的原子或分子组成及结构形态的早日实现。
无机非金属非常有前景 不错